如何通过电源去耦来保持电源进入集成电路（IC）的各点的低阻抗？

不管电源引脚的数量如何，IC数据手册都详细说明了每路电源的允许范围，包括推荐工作范围和最大绝对值，而且为了保持正常工作和防止损坏，必须遵守这些限制。

然而，由于噪声或电源纹波导致的电源电压的微小变化—即便仍在推荐的工作范围内—也会导致器件性能下降。例如在放大器中，微小的电源变化会产生输入和输出电压的微小变化，如图1所示。


图1. 放大器的电源抑制显示输出电压对电源轨变化的灵敏度。

放大器对电源电压变化的灵敏度通常用电源抑制比（PSRR）来量化，其定义为电源电压变化与输出电压变化的比值。

图1显示了典型高性能放大器（OP1177）的PSR随频率以大约6dB/8倍频程（20dB/10倍频程）下降的情况。图中显示了采用正负电源两种情况下的曲线图。尽管PSRR在直流下是120dB，但较高频率下会迅速降低，此时电源线路上有越来越多的无用能量会直接耦合至输出。

如果放大器正在驱动负载，并且在电源轨上存在无用阻抗，则负载电流会调制电源轨，从而增加交流信号中的噪声和失真。

尽管数据手册中可能没有给出实际的PSRR，数据转换器和其他混合信号IC的性能也会随着电源上的噪声而降低。电源噪声也会以多种方式影响数字电路，包括降低逻辑电平噪声容限，由于时钟抖动而产生时序错误。

◀ 适当的局部去耦在PCB上是必不可少的
典型的4层PCB通常设计为接地层、电源层、顶部信号层和底部信号层。表面贴装IC的接地引脚通过引脚上的过孔直接连接到接地层，从而最大限度地减少接地连接中的无用阻抗。

电源轨通常位于电源层，并且路由到IC的各种电源引脚。显示电源和接地连接的简单IC模型如图2所示。


图2. 显示走线阻抗和局部去耦电容的IC模型

IC内产生的电流表示为IT。流过走线阻抗Z的电流产生电源电压VS的变化。如上所述，根据IC的PSR，这会产生各种类型的性能降低。

通过使用尽可能短的连接，将适当类型的局部去耦电容直接连接到电源引脚和接地层之间，可以最大限度地降低对功率噪声和纹波的灵敏度。去耦电容用作瞬态电流的电荷库，并将其直接分流到地，从而在IC上保持恒定的电源电压。虽然回路电流路径通过接地层，但由于接地层阻抗较低，回路电流一般不会产生明显的误差电压。

图3显示了高频去耦电容必须尽可能靠近芯片的情况。否则，连接走线的电感将对去耦的有效性产生不利影响。


图3. 高频去耦电容的正确和错误放置

图3左侧，电源引脚和接地连接都可能短，所以是最有效的配置。然而在图3右侧中，PCB走线内的额外电感和电阻将造成去耦方案的有效性降低，且增加封闭环路可能造成干扰问题。

◀ 选择正确类型的去耦电容
低频噪声去耦通常需要用电解电容（典型值为1µF至100µF），以此作为低频瞬态电流的电荷库。将低电感表面贴装陶瓷电容（典型值为0.01µF至0.1µF）直接连接到IC电源引脚，可最大程度地抑制高频电源噪声。所有去耦电容必须直接连接到低电感接地层才有效。此连接需要短走线或过孔，以便将额外串联电感降至最低。

大多数IC数据手册在应用部分说明了推荐的电源去耦电路，用户应始终遵循这些建议，以确保器件正常工作。

铁氧体磁珠（以镍、锌、锰的氧化物或其他化合物制造的绝缘陶瓷）也可用于在电源滤波器中去耦。铁氧体在低频下（<100kHz）为感性—因此对低通LC去耦滤波器有用。100kHz以上，铁氧体成阻性（低Q）。铁氧体阻抗与材料、工作频率范围、直流偏置电流、匝数、尺寸、形状和温度成函数关系。

铁氧体磁珠并非始终必要，但可以增强高频噪声隔离和去耦，通常较为有利。这里可能需要验证磁珠永远不会饱和，特别是在运算放大器驱动高输出电流时。当铁氧体饱和时，它就会变为非线性，失去滤波特性。

请注意，某些铁氧体甚至可能在完全饱和前就是非线性。因此，如果需要功率级，以低失真输出工作，当原型在此饱和区域附近工作时，应检查其中的铁氧体。典型铁氧体磁珠阻抗如图4所示。

图4. 铁氧体磁珠的阻抗

在为去耦应用选择合适的类型时，需要仔细考虑由于寄生电阻和电感产生的非理想电容性能。

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