射频微波芯片设计5：电源旁路电容为何选择0.1uF 10uF？--【转载自微信公众号微波射频网】
时间：2022-08-18 06:00:00
本文分为三部分：
1.电源端加旁路电容；
2.旁路电路的高频特性；
3、电源旁路电容的选择。
全文阅读大约需要4分钟，希望博主自珍的理解对你有一点帮助。当然，文章中的观点和陈述可能不正确。欢迎交流讨论。
前言
也许大伙儿看到了也许为什么电源旁路电容选择0.1uF 10uF？这个标题已经准备好了50米大的砍刀，卷起袖子准备喷雾
对于电容这个词，我相信我们是电路朋友（或学过模电、电路分析的童鞋），或直接交通，或匹配，或旁路，或传感器，或DAC全二进制权重的电容阵列等，基本在有源电路和系统中99.用电容的概率是99%。
3.微波射频网D动画 动图|详细介绍了电容的工作原理，详细介绍了电容的一些原理和基本用法，有兴趣可以进一步学习。本文主要讨论了射频微波电路中电源去耦旁路电容的使用，并根据作者的理解回答了以下两个问题：
(1)为什么电源需要在射频电路中添加旁路电容？
（2） 我们应该如何选择射频电源端的旁路电容，是否直接使用常见的0.1uF,10uF组合可以吗？
一、电源端加旁路电容的作用
众所周知，射频电路最终需要外部提供直流电源，直流电源直接连接到射频芯片内的晶体管或场效应管的基极(栅极)或集电极(漏极)。一方面，由于电源有一定的纹波，射频信号往往被调制，表现出一定的信号恶化，甚至导致电路不稳定；另一方面，电路中的射频信号看到电源端的等效输入阻抗很小，导致射频信号直接传输到电源端，大大降低了输出射频信号；最后，每个模块通过电源线相互耦合，导致射频模块电路性能恶化。
相信做过电路的童鞋一定读过日本铃木雅臣写的《晶体管电路设计(上)(下)》一书。这本书可以作为实际模拟电路的宝典。书中有这样一段话，我在这里摘录。
因此，在电源端加载旁路电容是非常必要的，无论是模拟电路还是数字电路。
二、旁路电容器的高频特性
既然有必要在电源端加载旁路电容，那么我们在设计时如何加载旁路电容呢？
首先，我们知道电容的阻抗公式为：
所以在实际电路中，我们经常使用多个旁路电容器，此时一些聪明的人会问，不能用一个来代替吗？
乍一看，上面的等效电路没有问题，至少在数学层面上似乎是无可挑剔的。我们能直接使用一个电容值与两个并联电容值相同的电容器等效两个并联吗？
从物理角度来看，实际电容由寄生电阻、寄生电感和电容串联而成，如下图所示
因此，我们可以得到以下电容器的频率响应函数曲线。当电容器在自谐振频率下工作时，电容器的阻抗为纯实部，当电容器低于自谐振频率时，电容器变成电感到情感。
因此，如果我们只在电源上加载一个电容，我们必然只能在狭窄的带宽内实现良好的旁路滤波效果（在一定的带宽内，射频信号处于低阻状态），正如《晶体管电路设计》一书所说，由于电容的寄生效应，为了获得宽带内旁路滤波效果，我们通常需要添加至少两个不同容值的电容并联到电源线。
然而，铃木雅臣的《晶体管电路设计》也没有给出这两个容值的一般差异。这本书给出了一个例子，截图如下：
书中的电源旁路电容选择了10uF和0.1uF，此时两个电容的容值比达到100:1，这样的例子在实际使用中往往会出现一些问题，那到底是什么问题呢？，让我们讨论下一小部分。
三、选择电源旁路电容
在最后一节中，我们讨论了旁路电容器的比值。如果两个电容器之间的差值太大，会造成一些不必要的麻烦，那么有什么麻烦呢？
首先，让我们看看英飞凌公司给出的数据手册《Infineon-AN1032_Using_Decoupling_Capacitors-ApplicationNotes-v05_00-EN》，每个人都必须熟悉英飞凌，全球功率半导体市场的市场份额约为19%，排名第一，2020年4月，英飞凌以90亿欧元成功收购美国同行赛普拉斯（Cypress），让它的实力更加傲视群雄。因此，其官方网站提供的关于旁路去耦电容器的相关数据手册必须对我们有所帮助本文提到了22nF电容和100pF等效电路如下图所示：。
我们期望当22nF的电容和100pF的电容并联后以下实线所示的效果：
然而现实是当22nF的电容和100pF并联电容后，以下实线所示的效果：
所以残酷的现实告诉我们，并联两个电容器最初想要获得一个相对较低的阻抗，宽带的平滑曲线，但现实是打脸，在并联完了22nF与100pF电容器完成后，在原两个电容器的阻抗曲线交叠处出现一个电阻值较大的谐振点，这也导致这种组合不适合一些电源过滤高频信号到地。
那么该如何选择旁路电容值呢？且看手册中的说明，如下
也就是说，我们最好使用的旁路电容值之间的间隔不应该太远。最好将容值比控制在2:1以内。有图片和真相。以下是手册中原始的20nF与100pF并联，改成20nF和10nF电容并联后的阻抗-频率响应曲线图：
因此，如果要做好电路电源的滤波，旁路电容的选择要慎重，尤其是看了最后一个射频问题RFJ博客主写的测试栏目。《PA本文还提到，在设计功率放大器时，必须仔细考虑去耦和滤波。
好了，看到这里大家心里是不是对电源旁路电容的使用原理有点感觉，
看似明白的是：
1. 由于寄生效应，我们经常使用两个以上的并联电容来提高其工作带宽；
2. 尽量将两个电容的电容比控制在2:1。
此时，我们随意打开一些射频微波芯片数据手册，我看到一些微波毫米波数据手册上的芯片外围参考旁路电容器不是我们描述的2：1的比例，如：
（某Ka波段LNA推荐旁路电容选择值)
（某W波段LNA推荐旁路电容选择值)
这个时候手机旁边旁边吗？又犯难了，这个旁路电容到底该咋选取啊！！！
1. 板级射频电路电源旁路电容的选择和布局
小电容器尽量靠近芯片，大小电容器的值最好按照芯片数据手册的推荐值，如下图所示：
如果数据手册旁路测试得到的电路仍在低频振荡，不妨考虑小电容C_baypass上面串联一个小电阻R如下图所示：1.
英飞凌数据手册并联后出现谐振尖峰的原因主要是两个电容器响应曲线交叠处的电阻相对较大。因此，如果我们在旁路电容器中的一个低寄生电阻的小电容器上串联一个小电阻，那么整个电源旁路对于一定频率的等效电阻将接近最小电阻值。当我们人工设计小电阻时，我们可以尽量避免谐振峰阻抗。
2.芯片级射频电路电源旁路电容的选择和布局
芯片级旁路电容器主要需要注意电容器自谐振频率的位置，尽可能将电容器的最小自谐振频率推到工作频率以外。同样，如果低频谐振仍然无法解决，您可以尝试上述方案，以获得下图所示的电源旁路电路结构：
当然，一级扇形电容器也可以用多层传输线包夹射频地面的平板电容器代替。也许你有更多的想法和技巧。欢迎留言或加入小组。
这一期的内容到此为止，希望不要浪费大家伙的时间，能有所收获。
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本文作者：RFIC_抛砖
转载时作者对部分图片及段落进行了删节和修改。
