你一定遇过这样的困境
产品出现了噪声干扰 也找出干扰源了
但摆放了旁路电容 却总是解不掉干扰
请问原因为何?
先说结论
- 接地不好
- 放太少颗
- 电容值没有微调
在这篇文章
如何焊铜管 量测射频前端模块
我们提到了 不足的接地 会增加损耗
我们进一步 以阻抗的角度 来分析
接地不足 对旁路电容的影响
首先要知道 你加旁路电容的地方 未必会有地孔
(因为画电路与Layout时 没预期到此处会添加旁路电容)
因此 该噪声可能会先走一小段红色线段 再透过地孔 流到主地
而红色线段 本身可以看成寄生电感
我们由阻抗公式可知
该寄生电感 会提高该旁路电容路径的阻抗
而旁路电容的原理 是提供噪声一条低阻抗路径
使其流到主地
换言之 该寄生电感 等同提供噪声 一条阻抗不怎么低的路径
那噪声 当然也就不怎么会流到主地
也就是抑制噪声效果 大打折扣
由谐振频率角度来做分析
本来电容 就已经有寄生电感
现在再加上PCB贡献的的寄生电感 会使得总寄生电感更大
故谐振频率 会往低频方向移动
噪声的抑制能力下降
所以我们知道 要使旁路电感 发挥该有的噪声抑制能力
其接地的寄生电感 要尽可能缩小
因此 我们要加大接地面积 使其有足够接地
如此一来 等同并联了诸多红色线段
而寄生电感 是并联越多 总值越小
如此便可降低接地的寄生电感 进而降低整体路径的阻抗
接着谈谈 旁路电容的颗数太少 更是无法解掉干扰的原因
讲到这点 许多人会纳闷
假设灵敏度 劣化3dB 讯号频率为6700 MHz
我们用Murata的在线工具可知
2.2pF的电容 也已有将近29 dB的抑制能力 照说应该足够了
这样的想法 只对一半
如果我说 这颗2.2pF电容 放在你的PCB
抑制能力 连0.5dB都不到
你相信吗?
我们来做仿真比较
很明显可以看到 输入与输出阻抗的变化 虽不会改变谐振频率
但会改变抑制能力
阻抗越低 抑制能力越差 阻抗越高 抑制能力越好
同时我们发现 当阻抗为50欧姆时 其抑制能力
就与Murata在线网站一样 将近29 dB
这是因为 Murata的抑制能力 是用网络分析仪量出来的
而网络分析仪 默认就是50欧姆
但重点来了
当你要把这颗2.2pF电容 放在电源走线时
请问电源走线的阻抗 会是50欧姆吗?
肯定不会 多半会远小于50欧姆
而前面说过 输入与输出阻抗越低 抑制能力越差
这便是为何 明明Murata显示 该2.2pF电容 有将近29 dB的抑制能力
要解决灵敏度劣化3 dB的干扰 照理说绰绰有余
但为何无法奏效? 答案就是 你电源走线 肯定是远小于50欧姆
那我们多放几颗试试
可以发现到 放了10颗 抑制能力确实大幅改善 超过3 dB
照理说 已足以解决灵敏度劣化3 dB的干扰
但实际上 不可能放到10颗
一来是未必有足够的Layout空间
二来是会导致成本大幅上升
因此 这点出了另一个问题
当你电源走线 阻抗远小于50欧姆时
摆放旁路电容 对于滤除噪声而言 在实务上 并非是一个可行的做法
这时可能有人会提出一个想法
10颗2.2pF电容并联 依照电容并联公式
总电容值 不就是10倍 也就是22pF
放一颗22pF电容 不就好了?
那我们比较一下 2.2pF跟22pF的差异
很明显 抑制效果几乎是0
原因在于 由谐振频率公式知道
电容值加大 会使谐振频率往低频方向移动
所以
2.2pF -> 22pF
谐振频率
6702 MHz -> 2193 MHz
既然谐振频率 都已经远低于我们原本要抑制的6700 MHz
那抑制效果 当然为0
摆放旁路电容时 最大忌讳 就是谐振频率的漂移
包含前述的接地 贡献了寄生电感
也是会使谐振频率往低频方向移动 进而使抑制效果不如预期
那10颗2.2pF并联 与1颗22pF 差异为何?
10颗电容并联 总电容值是会变大10倍没错
但
每颗电容 都会有寄生电感
10个寄生电感并联 总寄生电感值 也会缩减为10分之1
而我们由这篇文章
电阻在PCB上的应用—Part3
可以知道 以谐振频率的角度而言
总电容值变大的10倍 会与总寄生电感缩减的10分之1相抵消
故最后谐振频率不变
且电容的内部电极层，可看成电阻，并联越多电容，等同于越多电阻并联，
则整体等效内阻就越低，并联10颗，则整体等效内阻便降低10倍，其公式如下 :
因此 并联多颗电容 其噪声抑制能力 变化如下:
其抑制能力只会越来越好 但谐振频率几乎不变
换言之 除非
22pF电容的总寄生电感 缩减为 2.2pF电容的10分之1
那么才可以达到 并联10颗2.2pF电容的效果
否则 是无法用一颗22pF电容 取代10颗2.2pF电容并联
因此 倘若噪声来源的电源走线 宽度较宽 也就是阻抗较低时
比较可行的办法 是添加电容值较大的稳压电容 例如22uF
因为由阻抗公式可知 当你落地电容值大幅增加时 可以大幅降低其电源走线的阻抗
进而降低噪声对天线的辐射量 以改善灵敏度
好比在这篇文章中
电阻在PCB上的应用—Part3
有提到 再额外焊一条线 对这条电源走线而言
等同多一个路径并联 其阻抗自然降低 进而降低辐射的可能性
也是相同的原理
这种降低电源阻抗的方式 虽然无法滤除噪声
但至少可以降低噪声辐射 对天线的干扰
当然 同一条电源走线 因应PCB空间限制
或是芯片引脚出线 其线宽会不尽相同
如果噪声来源 是处于线宽较细的电源走线位置
那么旁路电容 还是一个可行的滤噪声方法
好! 当你发现 噪声来源 是处于线宽较细的电源走线位置
多放了几颗旁路电容 确保有足够的抑制能力
同时也有足够接地 尽可能缩减寄生电感
但还是无法滤除噪声 为何?
这就是一开始提到的第三点
3. 电容值没有微调
前述说到 旁路电容 最大的忌讳就是 谐振频率改变
但事实上 这是再怎么极力避免 都一定会发生的事
原因在于 当电容放在PCB上时 因为迭构与Layout之故
一定会有寄生电容 与寄生电感
而由谐振频率公式可知 寄生电感与寄生电容
会使分母加大 进而使谐振频率 往低频方向移动
换言之 实际上的状况 肯定会与预期 有所差异
进而使噪声抑制能力 大打折扣
以上述的2.2pF电容为例 预期的谐振频率为6700 MHz
但实际上的谐振频率 肯定会小于6700 MHz
这意味着 该2.2pF电容 对于6700 MHz噪声的抑制能力
肯定不如预期
因此 反过来想 我们要利用这个
谐振频率 必定往低频方向移动
的特性
挑选谐振频率 大于6700 MHz的电容
也就是电容值 要比预期的2.2pF小 例如2pF 或1.8pF之类
如此的话 就会变成
那电容值要如何微调? 可以用频谱分析仪来观察
观察噪声经过旁路电容后 有无大幅缩减
有 便是有效 此时再去装天线 量无线性能 都还不迟
没有 那就是继续微调
