在業界流行的PCB設計方法中，電源和地都采用獨立的平面實現，而且它們都是面對面放置的。在理想情況下，兩個平面之間構成一個純粹的電容，平面之間對交流信號來說是短路的，平面之間的交流阻抗為0，任何流經兩個平面之間的瞬態電流都不會給電源地平面帶來噪聲波動。

但事實上卻不是這么簡單。一對平面在低頻下可以作為一個電容器來看，而在高頻下其模型就復雜很多，看起來就像一個二維的傳輸線，如下圖：

電源和地平面簡化模型

與傳輸線特性一樣，電源噪聲波動在傳到電源地平面的邊緣時，同樣將發生反射的現象，反射回來的噪聲可能會在平面內部發生諧振。

下面將通過一個典型的電源平面和去耦電容的效果來說明如何實現一個低阻抗的電源分配系統，如下圖所示，由兩個平面組成的電源和地平面對(pair)，在平面的B點處是一個電壓調整器，給單板提供電源，在A點處是一個觀察點，用來觀察頻率響應特性。以下說明的頻率響應特性曲線都是基于這個假想點得到的。

一個電源平面

考慮一個特殊的電源地平面，其在40MHz以下阻抗與平面的電容值基本吻合，而在40MHz以上，平面內部的固有諧振占據了主要因素，如下圖：

一個電源地平面的頻率響應曲線

如果給該系統加入一個電壓調整器，由于電壓調整器存在串聯的電感，在較低頻率處，電壓調整器串聯電感與平面的固有電容可能會產生并聯諧振尖峰，如下圖：

加入電壓調整器的電源地平面的頻率響應

顯然，這樣的頻率響應無法使我們滿意，那么接下來，我們通過增加去耦電容，嘗試去改善電源系統的頻率響應特性。

首先考慮分離電容器的特性。實際上，電容器并不是一個純粹的電容，由于各種寄生效應，分離電容器可以簡單表示為一個電容、電感和電阻串聯的結果，如下圖：

電容器的等效模型

這樣的電容器的等效模型，其頻率響應曲線中，在某個特定的頻率下，ESL和C的阻抗大小相等，符號相反，于是兩者發生諧振，我們稱這個頻率為諧振頻率。在上圖所示中，兩條斜線的交叉點即為電容的諧振頻率點。電容器在諧振頻率所表現出的阻抗僅僅是ESR的阻抗，如上圖頻率響應曲線的最低阻抗點。而在這個頻率以下，電容器表現出C的特性，在這個頻率以上，電容器表現出ESL特性。

不同的電容器具有不同的ESR、ESL和C參數，通常容值較小的電容具有更高的諧振頻率。如果多個容值不同的電容器同時存在于PCB中，也就是并聯在一起，這些電容器之間很有可能發生并聯諧振，諧振點的阻抗相當高。這是選擇多個電容器時應當盡量避免的，如下圖所示：

電容之間發生并聯諧振

不同電容值的頻率響應曲線示意圖。如下：

分立電容器的頻率響應

選擇一定數量的容值電容組合在一起，加到電源和地平面之間。一般來說，大電容的數量較少，小電容的數量要多一些。例如采用1個2.2uF，2個0.47uF···，4個33nF，8個10nF，16個2.7nF，24個1nF的。我們所要達到的目的是整個電源分配系統在較寬的頻率范圍內呈現低阻抗，也就是說，在這些頻率范圍內的噪聲，都只會在整個電源分配系統中引起小幅度的波動，不會造成大的影響。

下圖所示加上這些去耦電容后，電源平面可能的頻率響應結果。

去耦電容的作用

從上圖可以看出一般的規律。

1、? 去耦電容在低頻范圍內有效的降低了系統阻抗。

2、? 有效利用去耦電容，可以把平面的固有諧振頻率點移到幾百兆赫茲以上。

3、? 在非常高的頻率范圍 ，如1GHz左右，分立的電容起的作用不太明顯，平面本身的固有諧振占主導地位。

要說明的是，這里使用的電容組合并不是這個系統中最優化的，而且在別的系統中效果不一定一樣。我們只是為了通過改變去耦電容的組合來分析其可能對電源分配系統造成的影響。實際上，在具體的實例中，電源地平面和去耦電容所帶來的效果不盡相同，不能生搬硬套。

去耦電容的影響并不能定量的描述出來，簡單系統可以通過直觀的概念推論出來。而在負載的系統中，特別是多層電源和地，非常多的去耦電容，必須通過仿真和測試來確定去耦電容的實際效果。
作者：杭州卿萃科技ALIFPGA