电阻、电容、电感在高速电路中的应用
目录
1.2 如何区分高速和低速
1.3 硬件设计流程
1.3.1 需求分析
1.3.2 概要设计
1.3.3 详细设计
1.3.4 调试
1.3.5 测试
1.3.6 转产
1.4 原理图设计--更规范
2.1 电阻
2.1.2 电阻应用要点
2.2 电容
2.2.2 电容的作用及分析
1. 高速电路中电容的作用
2. 电容的等效电路
3. 滤波电容阻抗随频率变化的特性
2.2.3 高速电路设计常用的电容
1. 陶瓷电容
2. 钽电容/聚合物钽电容
3. 铝电解电容/聚合物铝电解电容
4. OSCON电容
2.2.4 去耦电容和旁路电容
第1章 概述
1.2 如何区分高速和低速
信号的周期频率和有效频率
区分高速和低速的步骤：
一，获取信号的有效频率Fknee和走线长度L。
二，λ=C/F，利用Fknee计算出λknee。
三，判断L和1/6 λknee的大小，L>1/6 λknee，则为高速信号，反之为低速信号。
高速信号是指传输路径上各点电平存在较大差异。高速于低速的区分不仅和信号频率有关，还和传输路径的长度有关。
信号频率越高，低速和高速分水岭的长度越短，反之亦然。
1.3 硬件设计流程
1.3.1 需求分析
（1）整体性能要求：如数据包转发能力、处理延时、最高处理带宽、CPU处理能力等。针对这些要求，可初步进行CPU、存储器、交换芯片等器件的选型。
（2）功能要求
（3）成本要求
（4）接口要求
（5）功耗要求
1.3.2 概要设计
如数据包转发能力、处理延时、最高处理带宽、CPU处理能力等。针对这些要求，可初步进行CPU、存储器、交换芯片等器件的选型。
1.3.3 详细设计
电子设计工程师负责各个总线接口信号的定义，CPU存储空间分配，时钟、复位电路器件选型及其拓扑结构，中断链路拓扑结构，电源电路的详细框图（需注明各路电源的产生方式、电压值、电流值等），关键电源的滤波方式，逻辑器件功能及其寄存器说明书，面板上用户接口的定义及接口信号连接关系，指示灯器件的选型及其连接关系，最后绘制原理图并产生物料清单。在详细设计阶段的后期，应开始制订测试计划。
1.3.4 调试
板卡调试大致步骤：
（1）外观检测
（2）静态阻抗测试
（3）静态电源测试
（4）时钟测试
（5）功能模块测试
1.3.5 测试
（1）测试设备列表
（2）测试环境的搭建图
（3）电源测试
（4）各接口信号的信号完整性与时序
（5）各通用接口的功能测试
（6）复位链路的测试
（7）晶振、时钟驱动器、锁相环等与时钟相关的测试
（8）指示灯、单板在位信号、槽位号等杂项的测试
（9）流量的测试
1.3.6 转产
1.4 原理图设计--更规范
（1）在原理图的首页绘制单板的总体框架图、电源架构框图、时钟拓扑图、复位链路拓扑图、中断链路拓扑图、边界扫描链路图等。若单板的接口较多，增加接口说明。若I2C总线的拓扑较复杂，增加注释各I2C器件的地址。
（2）在原理图上电源电路的输出端附近，应标注该路电源的电压值和电流值（注释电流值，给PCB工程师看）。
（3）绘制原理图时注释布局要求。
（4）按照PCB上电容的排列顺序绘制原理图的电容滤波电路。
（5）原理图上应标注关键信号的速率、走线层，若信号线之间有走线长度关系，也建议标注在原理图上。
（6）原理图上应标明高散热及热敏感器件，若有特殊的放置要求，也可在原理图上加以注释。
（7）在原理图上，应对跳线、选焊器件的配置方法等进行注释。
第2章 阻容感及磁珠在高速电路中的选型及应用
2.1.2 电阻应用要点
（1）阻值；
（2）尺寸；
（3）额定功率；至少降额20%使用；
（4）精度，当用于设定器件工作参数时选用高精度电阻，例如1%。
2.2.2 电容的作用及分析
1. 高速电路中电容的作用
（1）电荷缓冲池
高速电路中电源的负载时动态变化的，高速运行的器件电流和功耗不断变化。在这种情况下，需要为器件提供一种缓冲池，电流功耗变化时为器件提供一种稳定的电压。
（2）高频噪声的重要泄放路径
高速电路的状态不断在1和0之间切换，电流方向不断在输出和输入之间切换，状态的高速切换将在电路上产生大量的噪声干扰。干扰信号的频率是有效信号的2次、3次倍频。在电源传输路径上需要将这些高频干扰泄放到相对稳定的地平面。Z=1/jwc，当频率较高时，电容阻抗低，成为高频噪声的重要泄放通路。
（3）实现交流耦合
通过高速差分对互联的2个器件，工作在不同电平，发出的差分对将携带不同电平的直流分量，不能相互识别。电容可以通交流，隔直流，实现滤除直流分量的功能。即交流耦合（AC Couple），直流隔离（DC Blocking）。
交流耦合(AC Coupling)就是通过隔直电容耦合，去掉了直流分量
直流耦合(DC Coupling)就是直通，交流直流一起过，并不是去掉了交流分量。
在交流耦合中，电容串接在线路中，阻抗为1/jwC。容值越小的电容，对低频信号的阻抗就越大，使低频信号衰减严重。
定义Tc为每比特位的数据周期，NUM为最大容许连0或连1比特位的数目，负载的阻抗为R（一般取50Ω），C为交流耦合电容容值。则有经验公式：
F=800MHz，Tc=1.25ns，R=50Ω，根据码型分析应用中可能出现的最大连0或连1比特位的长度，如果最大连85bit，设定NUM=86，则交流耦合电容的最小取值要求为：
Cmin=7.8*86*1.25ns/50Ω=16.77nF=0.01677nF
设计中，选用0.01μF的耦合电容，显然无法满足经验公式，导致数据帧出错。在设计时需注意，耦合电容取值也不能太大，如果容值太大，将无法满足高速信号变换的边沿斜率要求。在高速设计中，一般取耦合电容的容值为0.1μF，这样既可以满足数据帧中可能出现的长1长0情况，又能满足高速信号变换的要求。
2. 电容的等效电路
1）电容器件并不是纯粹的电容，而是带有ESR、ESL、Rleak等分量的小型电路。
2）ESL取决于电容的类型和封装，ESR取决于工作的温度、频率、导线电阻等等。
3）多数情况下，ESR越小越好，直流耦合时高频衰减较小，滤波时为噪声提供低阻抗回路。多个电容并联可以减小ESR，相当于并联ESR分量。但是也有例外，需要根据器件要求选型。
3. 滤波电容阻抗随频率变化的特性
滤波电容的作用机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路，在噪声频率点上，要求滤波电容的阻抗较小，即当噪声频率落在谐振点附近时，滤波效果最好。
由谐振频率公式：F=(ESL×C)-1/2知，C和ESL越大，则谐振频率越低，即电容对高频干扰的滤波效果越差；C和ESL越小，谐振频率越高，越适于滤除高频干扰。
1）电容器件的阻抗—频率变化曲线是一种微笑曲线，曲线的左边取决于电容分量，右边取决于ESL分量。
2）滤波电容并联以展宽低阻抗频带时，不仅要考虑容值搭配，还需要考虑封装搭配。多个同型号的电容并联时，虽不能展宽低阻抗频带，但可以减小谐振点处的阻抗。
2.2.3 高速电路设计常用的电容
1. 陶瓷电容
其优势是体积小、价格低、稳定性好，但容量小。目前常用的陶瓷电容，其容值小的可以到几十皮法，大的可以到几十微法。平时常提到的X7R、X5R等都是陶瓷电容，符号含义如下图：
陶瓷电容的ESR值一般较小，适合高频滤波。电容使用必须降额，X7R、X5R至少降额20% ，Y5V不建议在高速电路和环境温度变化剧烈的情况下使用。
2. 钽电容/聚合物钽电容
钽电容温度特性好、ESL值小、高频滤波性能好、体积小、节省PCB面积、容值较大等特点。因此钽电容一般被应用在需要大容量电容滤波的场合，如为CPU等高耗能器件滤波。
钽电容的缺点是耐电压和耐电流的能力较弱。一般要求钽电容的工作电压相对额定电压降额50%以上。钽电容还具有很好的自愈能力。遇到以下三种场合之一，钽电容的额定电压需降额70%以上使用：
（1）负载呈现较强的感性；
（2）串联电阻小；
（3）瞬变电流较大。容易击穿金属钽介质，导致钽电容失效。
3. 铝电解电容/聚合物铝电解电容
铝电容容量大、耐压高，但温度稳定性差、精度差、高频滤波性能差，仅适用于低频滤波。钽电容不适用于有较大瞬变电流的场合，而在这种场合下，就需要用到铝电解电容。电压至少降额20%使用。
随着产品使用时间的增加，铝电解电容内部的电解液将逐渐干涸，容量逐渐减小，ESR逐渐增大，滤波效果减弱。所以在高速电路设计的电容选型中，应尽量避免选择铝电解电容。
4. OSCON电容
OSCON电容外形酷似铝电解电容，其优点在于，OSCON电容ESR较小、温度稳定性相对铝电解电容较好、价格相对钽电容较低。缺点在于对绝大多数OSCON电容而言，引脚都是插装形式，并且体积比较大。
在电路设计中，DC/DC电源的输入和输出部分往往需要布放大容量的钽电容，成本较高。在这种情况下，可以同样容值的OSCON电容取代，其成本仅为对应钽电容的几分之一。
① 陶瓷电容体积小、价格低、稳定性好，但容量小。适用于高频滤波。
② 钽电容温度稳定性好、ESL值小、高频滤波性能好、体积小、能节省PCB面积、并且容值较大，但耐冲击电压和冲击电流的能力较弱。
③ 铝电解电容容量大、耐压高，但温度稳定性差、精度差、高频滤波性能差，仅适用于低频滤波。
④ 在电容应用中，应注意对阻抗—频率特性曲线的理解。
2.2.4 去耦电容和旁路电容
去耦电容，其作用是为保证器件稳定工作而给器件电源提供的本地“小池塘”。在高速运行的器件上，会不断产生快速变化的电荷需求，对于这种快速的需求，电源模块无法及时给器件提供电流以补充，只能依靠器件附近的电容给予解决。可以把电容理解成平时灌满水的小池塘，一旦小池塘附近的庄稼缺水，能立刻从小池塘得到补充，而无需求助远方的水厂。去耦电容还有另一个作用，是为高速运行器件产生的高频噪声提供一条就近流入地平面的低阻抗路径，以避免这些干扰影响该电源的其他负载。
可以把滤波电容理解为电源的“大池塘”，需要较大容量的电容。
旁路电容，其作用是为前级（如电源产生的高频噪声等干扰）提供一条流到地平面的低阻抗路径，以避免这些干扰影响正在高速工作的器件。
从以上描述可以看出，去耦电容和旁路电容没有本质的区别，从应用上说，依据公式Z=1/(2πF×C)，其中F是器件工作频率，它们在高频下的作用都是为电路中的干扰提供一条流回地平面的低阻抗回路。
2.3 电感选型及应用
在电感应用于电源滤波电路时，除了考虑滤波性能外，还要考虑电感本身产生的压降对电路的影响。
2.3.2 电感的作用
1. 通直流、阻交流
DCDC电源产生的开关噪声交流成分不希望引入到后级电源平面，需要阻碍交流，应用电感可实现。根据公式Z=jωL，频率越高，电感阻抗越大，反之，电感阻抗越小。
2. 阻碍交流的变化，保持电流稳定
电感相当于线圈，通过电流时会产生磁场，电流变化就会产生反方向的感应电流，阻碍电流的变化。--楞次定律，它是由俄国物理学家海因里希·楞次（Heinrich Friedrich Lenz）在1834年发现的，哈哈详情请咨询物理老师。
3. 滤波
信号电平高速变化，产生大量的高频谐波，往往需要构建低通滤波滤除这些高频噪声，常用LC低通滤波。截止频率Fc=1/π√LC（根号LC）。
2.3.3 电感的应用要点
电感参数：
电感值
直流电阻
自谐振频率
额定电流
1. 高频信号用电感
主要用于射频信号。
（1）主要参数
① 电感值范围：0.6～390nH。
② 直流电阻：一般电感值越大，其对应的直流电阻也越大。
③ 自谐振频率：可以高达12GHz。电感值越大，其对应的自谐振频率往往越小。
④ 额定电流：几十毫安到几百毫安。电感值越大，其对应的额定电流往往越小。
（2）特点
从上图可知，工作频率小于谐振频率时，电感值基本保持稳定；工作频率超过谐振频率后，电感值将会迅速增大，频率继续增大并达到一定程度后，电感值还会迅速减小。
在应用中，应选择谐振频率点高于工作频率的电感。
对于高频信号用电感而言，谐振频率点一般在1GHz以上，因此该类电感可支持很高的工作频率。
2. 一般信号用电感
主要用在高速信号上。
（1）主要参数
① 电感值范围：0.01～1000μH。
② 直流电阻：电感值越大，对应的直流电阻也越大。一般信号用电感，其直流电阻比高频信号用电感和电源用电感大一些，最小的直流电阻一般为100mΩ，大的可达到几欧姆。
③ 自谐振频率：几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大，其对应的自谐振频率越小。
④ 额定电流：几毫安到几十毫安。电感值越大，其对应的额定电流越小。
（2）特点
工作频率低于谐振频率时，电感值基本保持稳定；但工作频率超过谐振频率后，电感值将会先增大，达到一定频率后，将迅速减小。
从阻抗频率曲线图可知，工作频率低于谐振频率时，电感器件表现出电感性，阻抗随着频率的升高而增大；当工作频率高于谐振频率时，电感器件表现出电容性，阻抗随着频率的升高而减小。
因此，在应用中，应选择谐振频率点高于工作频率的电感。
对于一般信号用电感而言，谐振频率点一般在几百兆赫兹之内，该类电感也是高速电路设计中最常用的电感。高速设计中的板间互连信号，纹波比板内信号大，可以使用一般信号用电感加以滤波。设计中需要注意，高频信号用电感和一般信号用电感额定电流都比较小，而直流电阻相对较大，不建议用于电源滤波。
3. 电源用电感
主要用在电源电路中。
（1）主要参数
① 电感值范围：1～470μH。
② 直流电阻：电感值越大，其对应的直流电阻也越大。最小的直流电阻一般为几毫欧，大的有几欧姆。
③ 自谐振频率：几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大，其对应的自谐振频率越小。
④ 额定电流：几十毫安到几安。电感值越大，对应的额定电流越小。
（2）特点
谐振频率点一般在几十兆赫兹之内，该类电感是高速电路设计中电源滤波最常用的电感。
（3）注意：
① 电感与电容构成低通滤波器时，需要注意防止噪声频率点与谐振频率点重合，以免共振。
② 电感串联在电源电路中，需考虑电感器件的压降。
③ 针对设计需求，选择类型适合的电感。信号线上使用的电感，重点考查其品质因数频率特性曲线；电源电路上使用的电感，应重点考查其直流电阻、额定电流等参数。
2.4 磁珠
磁珠可以吸收电源、信号上的噪声干扰。
2.4.2 磁珠的选型及应用要点
磁珠的很多考虑因素和电感相同。
磁珠的阻抗Z由电阻成分R，和电抗成分（电感）共同决定。在低频段，X起主导作用，磁珠主要体现为电感性，功能是反射噪声；在高频段，R起决定作用，磁珠主要体现为电阻性，功能是吸收噪声并将噪声转换为热。这两种功能的转换点就是曲线上，R和X值相等处的频率。--转换点频率
在磁珠选型时，需要仔细分析电路上信号和噪声所处的频带，所选择的磁珠应满足：电路噪声的频带大于磁珠转换点频率，以便使磁珠吸收噪声而不是反射噪声；电路信号的频带尽量小于磁珠转换点频率，以防有效信号被磁珠衰减。
除了转换点频率外，磁珠选型还需要考虑额定电流、直流电阻和谐振频率等因素。与电感类似，磁珠应用于电源电路滤波时，工作电流不能大于其额定电流；磁珠本身具有直流电阻，当电源电路的电流较大时，还应考虑在磁珠上产生的压降。当工作频率高于谐振频率时，磁珠表现出电容性，阻抗迅速减小，因此应选择谐振频率点高的磁珠。此处需要特别注意的是，磁珠的转换点频率和谐振频率，在意义上有所不同。
