電源完整性之電容的去耦半徑

電容去耦的一個重要問題是電容的去耦半徑。大多數資料中都會提到電容擺放要盡量靠近芯片，多數資料都是從減小回路電感的角度來談這個擺放距離問題。確實，減小電感是一個重要原因，但是還有一個重要的原因大多數資料都沒有提及，那就是電容去耦半徑問題。如果電容擺放離芯片過遠，超出了它的去耦半徑，電容將失去它的去耦的作用。

理解去耦半徑最好的辦法就是考察噪聲源和電容補償電流之間的相位關系。當芯片對電流的需求發生變化時，會在電源平面的一個很小的局部區域內產生電壓擾動，電容要補償這一電流（或電壓），就必須先感知到這個電壓擾動。信號在介質中傳播需要一定的時間，因此從發生局部電壓擾動到電容感知到這一擾動之間有一個時間延遲。同樣，電容的補償電流到達擾動區也需要一個延遲。因此必然造成噪聲源和電容補償電流之間的相位上的不一致。

特定的電容，對與它自諧振頻率相同的噪聲補償效果最好，我們以這個頻率來衡量這種相位關系。設自諧振頻率為f，對應波長為，補償電流表達式可寫為：

其中，A是電流幅度，R為需要補償的區域到電容的距離，C為信號傳播速度。

當擾動區到電容的距離達到時，補償電流的相位為，和噪聲源相位剛好差180度，即完全反相。此時補償電流不再起作用，去耦作用失效，補償的能量無法及時送達。為了能有效傳遞補償能量，應使噪聲源和補償電流的相位差盡可能的小，最好是同相位的。距離越近，相位差越小，補償能量傳遞越多，如果距離為0，則補償能量百分之百傳遞到擾動區。這就要求噪聲源距離電容盡可能的近，要遠小于。實際應用中，這一距離最好控制在之間，這是一個經驗數據。

例如：0.001uF陶瓷電容，如果安裝到電路板上后總的寄生電感為1.6nH，那么其安裝后的諧振頻率為125.8MHz，諧振周期為7.95ps。假設信號在電路板上的傳播速度為166ps/inch，則波長為47.9英寸。電容去耦半徑為47.9/50=0.958英寸，大約等于2.4厘米。

本例中的電容只能對它周圍2.4厘米范圍內的電源噪聲進行補償，即它的去耦半徑2.4厘米。不同的電容，諧振頻率不同，去耦半徑也不同。對于大電容，因為其諧振頻率很低，對應的波長非常長，因而去耦半徑很大，這也是為什么我們不太關注大電容在電路板上放置位置的原因。對于小電容，因去耦半徑很小，應盡可能的靠近需要去耦的芯片，這正是大多數資料上都會反復強調的，小電容要盡可能近的靠近芯片放置。