上集_磁珠(Bead)_电感(L)_电阻(R)_电容(C)于噪声抑制上之剖析与探讨

电容

由[1]可知，当两个金属很靠近时，便形成了电容。

而由[2-5]可知，通常电源输出端，其电压并非理想的恒定值，而是会有涟波与噪声，

而由[6]可知，GSM为分时多工机制，其讯号为Burst形式，故其PA会一直On/Off 不停地切换，导致其PA电源端，会有瞬时电流。而要抑制这些会危害电路的涟波、噪声、以及瞬时电流，最常见的手法，便是摆放落地电容，接下来便探讨电容的应用与注意事项。

由[8]可知，任何讯号都会有回流电流，整体路径形成一个完整的封闭回路。回路面积越小，产生的EMI 干扰就越小。而回路面积取决于讯号路径长度，以及回流电流路径长度。因此不只讯号长度越短越好，其回流电流路径长度也是越短越好，如此才能使回路面积缩到最小。

因此，落地电容的作用，便是提供噪声一个低阻抗的路径，使整体回路面积变小，来降低EMI干扰，且避免噪声透过耦合方式，干扰其他讯号。

由[3]可知，摆放稳压电容，确实可减少电源的涟波。

而由下图可知，虽然C3114，已有稳压效果，但不够靠近收发器，以至于稳压效果不如预期，而因为LO电源，会影响调变的精确度，如此便导致调制频谱正负1.6MHz处超标，而将C3115更换成4.7uF的稳压电容后，

可看到调制频谱改善许多[6]。

由[9]可知，电容在高频时，会有寄生电感(Equivalent Series Inductance, ESL)，与寄生电阻(EquivalentSeries Resistance, ESR)，其等效模型如下:

因此其频率响应如下:

由上图可知，电容会有自我谐振频率，简称SRF(Self Resonant Frequency)，与电容值，以及ESL有关，过了SRF后，则该电容会变电感，这使得抑制噪声，以及稳压的能力会下降，因此ESL越小越好，即SRF越高，如此便可确保电容性的频率范围越广。

前述提到，SRF也与电容值有关，因此电容值大小，需依应用频率范围来决定[11]。

由上图可知，电源输出端的稳压，隶属于低频范围，因此会采用大电容，多半为uF等级，而若是要抑制会干扰RF频段的噪声，例如解手机的Desense，则是会采用小电容，多半为pF等级。

另外由上图可知，电容值越大，则频率范围内的阻抗越小，这主要跟ESR有关。由[12]可知，其电容的阻抗如下:

而由[13]可知，若电容值越大，则ESR就越小，如下图:

因此电容值越大，则ESR就越小。由下图可知，同样0402尺寸，但1nF的Insertion Loss，显然就是比1pF、10pF、100pF来得大。因此电容值越大，则频率范围内的阻抗越小。

至于为何电容值越大，则ESR就越小? 这主要与电容的内部构造有关，以MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitor)为例[13-14] :

若电容值越大，则表示内部电极层数目越多，若我们将电极层想象成电阻，则电极层数目越多，意味着越多电阻并联，而依据电阻并联公式，

我们得知，越多电阻并联，则整体总电阻就越低，因此电容值越大，则ESR就越小[12]。

另外，下式为电阻公式:

由上式可知，ESR会跟材质的电阻率有关，因此不同的材质，其ESR也不同。以MLCC为例，其ESR会比其他材质来的小[14-15]。而前述提到，落地电容的作用，便是提供噪声一个低阻抗的路径，若ESR越小，便能使越多的噪声流到GND。

因此ESR越小，则Insertion Loss越大，亦即抑制噪声的能力就越好[13]。

而若以钽质电容做比较，发现同样的电容值，其MLCC的Insertion Loss明显较大[15]。

另外ESR也牵扯到稳压能力，由下式可知:

若稳压电容的ESR越小，则电源输出的涟波就越小，即稳压效果越好。因此可得知，由于MLCC的ESR比其他材质来的小，故其抑制噪声能力，以及稳压能力，都比其他材质来的好。

以示波器观察时域上的波形变化，发现其MLCC的稳压效果，比钽质电容来得好[15]。

而以频谱分析仪观察频域上的噪声强度，发现其MLCC抑制噪声的效果，也比钽质电容来得好[15]。

另外，由[14]可知，ESR会将涟波电流，转换为热能，若ESR越高，则转换的热能就越多

换句话说，随着涟波电流越大，ESR会使电容温度上升，ESR越大，则温度上升越多，

而温度上升，不仅对散热有所影响，对于电容值也会有所影响，由[15]可知，MLCC在温度稳定性，就不如钽质电容与铝电解电容，尤其是Y5V，温度升高时，其电容值会大幅下降。

而由下图可知，电容值的大小，也会影响稳压能力，换句话说，Y5V会因涟波电流加大，温度升高，电容值下降，而导致稳压能力下降，因此在挑选电容时，需额外注意温度的耐受度因素。

如果单颗电容的涟波电流耐受度不够，则需并联多颗电容，其并联数目，依单颗电容的涟波电流耐受度而异，如下图，若单颗电容的涟波电流耐受度为1A，则需并联6颗，方可承受6A的涟波电流。但若单颗电容的涟波电流耐受度为2A，则6A的涟波电流，其所需电容数量，可缩减为3颗[14]。

而并联多颗电容的作法，除了可提升整体电容的涟波电流耐受度，亦可进一步加大Insertion Loss，来提高稳压及滤波能力[7, 16-17]。

由前述已知，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ESR就越低，并联n颗，则ESR便降低n倍，其公式如下:

虽然若并联n颗电容，则整体电容值会加大n倍，理论上其SRF会往低频方向移动，然而因为其ESL也缩减n倍，而由SRF公式计算:

因此其SRF并不会改变。

但是，若设计的电路，其信号变化很快，则表示其噪声的频率范围也越广，这意味着需要并联大量的同值电容，但该作法会造成空间及成本上的极大浪费，此时需使用不同容值的组合，来拓展稳压及滤波的频率范围[2]。

上图是33pF与7pF并联的结果，若以-10 dB为基准，可看出其带宽范围，皆比单颗33pF或单颗7pF来得大，其绿色箭头即并联后的频率拓展范围。

然而该方式有个该注意的地方，就是反谐振[9]，