为什么我们都在使用退耦电容

作者: ti专家Bruce Trump
翻译: TI信号链工程师 Rickey Xiong (熊尧)  

每个人都知道运放应该使用靠近运放供电管脚的退耦电容，对吗？但为什么要使用这个退耦电容呢？举个例子，如果没有合适的退耦，运放会更容易产生振荡。了解使用退耦电容的原因能够增加你对这个问题的理解和认知。
电源抑制比是运放抑制供电发生变化的能力。如图1所示，在低频段，运放的电源抑制比是非常高的，但是随着频率的增加，电源抑制比会减小。在高频段，较小的电源抑制比可能会导致运放振荡。

我们经常认为，外部的供电噪声会影响运放。但是，运放自身会产生一些问题。例如，负载电流来源于运放的供电。如果没有合适的退耦，运放的供电端的阻抗就会非常大。这会导致负载的AC电流在供电端产生一个AC电压，从而构成了一条无意的，不可控的反馈回路。供电端的电感能够放大该AC电压。在高频段，运放的电源抑制比比较低，这条无意的反馈回路能够引起振荡。
当然，运放内部电路也会带来一些影响。如果没有一个稳定的供电，内部电路的节点之间也可能会产生反馈回路。内部电路的设计是为了使运放工作得更稳定，供电端有较低的电阻。如果没有稳定的低阻抗的电源供电，运放的工作可能变得特别异常且不可预测。
给运放的输入端加一个干净的正弦波，较差的退耦产生的反馈回路上可能是一个失真的正弦波。如图2 所示，在供电端的信号电流经常是失真的，因为它仅仅是正弦信号的一半。如果正端供电和负端供电的电源抑制比不相同，也会使输出波形失真。

如果负载电流很大，该问题会变得更加严重。电抗性负载会产生相位，使负载电流产生相移，这可能会加剧这个问题。容性负载在反馈回路上会产生额外的相移，很有可能会产生振荡。为了消除这些问题，我们需要较大容值的钽电容作为退耦电容，并且需要特别注意该电容的布局，应直接连接在供电引脚上，且越近越好。
当然，并不是所有的低质量的退耦都会使运放产生振荡。如果没有足够的正向反馈，或者相移并不是很大，并不会使运放振荡。但是，运放的性能会大大下降。较大的过冲，较长的建立时间会影响频率响应和脉冲响应。
在以前的博客中曾经讨论过，TINA或者其它的SPICE仿真工具不能很好地仿真出这些现象。SPICE中的电压源是相当稳定的，不会随着负载电流而产生变化。要想仿真出实际的供电阻抗非常难，并且结果是不准确的。电源抑制比的值用我们最好的模型macro来仿真，但是，反馈回路上的相位关系不可能完全准确。一般情况下，仿真是很有用的，但并不能准确地预测出上述现象。
你不应该成为一个偏执狂------没有必要对退耦太过要求。对一些特别敏感的情况和潜在的问题提高警惕就可以了。适当的理解和认知会使模拟设计变得更好。
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