射频中的“Bypass”与“Decoupling”
发布时间：2022-06-21 10:49:17
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
随着通信技术的高速发展，射频（RF）和微波（MW）电路在通信系统中广泛应用，射频电路设计领域得到了业界的重点关注。射频电路工作频率高，与数字、模拟电路相比，射频电路非理想特性众多，寄生效应复杂。实际应用中，需要对射频信号串扰、不同器件间隔离等做良好处理，稍有不慎，便会出现干扰、震荡等问题。在射频电路的测试中，实测结果与仿真结果不一致是家常便饭，实测被仿真完美预测的情况寥寥无几。
“旁路（Bypass）”与“去耦（Decoupling）”处理不好是造成射频实测异常的重要原因之一。虽然对于这两个问题在设计时有一些经验可循，但如果对问题成因理解不深，很有可能造成问题无法本质解决，严重时还会引起其他更严重的后果。
而且“Bypass”和“Decoupling”很多时候结构类似，很多人也将“Bypass电容”与“Decoupling电容”用做同义词，不过二者的使用目的和设计考虑是不同的。
本文尝试对“Bypass”和“Decoupling”的概念做一个讨论，理解二者设计的基本理念，同时给出二者设计时注意的要点。
1、Bypass”与"Decoupling"的定义
图：Bypass与Decoupling
BypassBypass（旁路）是指为射频信号提供一个低阻通路（通常使用电容，如上图中的Cbyp），使射频信号沿此低阻通路流动，减少射频信号向其他高阻路径的流动。 Decoupling目的是将共用连接线上的不同电路做隔离，一般由低通网络构成。隔离的目标是不让电路间的噪声互相传播干扰。 在上图中Decoupling电路设计中，Bypass电容Cbyp和Decoupling电路Ldec、Cdec共同完成Decoupling，这种设计方法在射频电路实现中经常使用。 以下将对Bypass和Decoupling电路做详细讨论。
2、Bypass电路
理想情况下，电压源提供低阻阻抗，但实际应用并非如此。电压源的阻抗随着频率的升高而升高；另外由于电源走线的寄生电感效应，以及电源上连接其他器件的寄生效应，射频芯片端口的射频阻抗已经不再保证是低阻，这个时候，就需要用Bypass电容来提供低阻路径。
图：射频芯片应用中，需要片外Bypass电容提供低阻路径
在Bypass电容设计中，需要注意的是，由于寄生电感的存在电容无法在全频段内保持低阻。随着频率升高，寄生电感与电容谐振，超过谐振频率之后，电容表现为感性，频率继续升高阻抗增大。 一般MLCC电容寄生电感为0.3nH，可以以此来计算不同容值电容的谐振频率。下图为Murata不同容值电容串联阻抗的测试值[1]，可以看到，1000pF电容低阻区域（<3 Ohm）在1GHz以下，而10pF所覆盖的范围在2~3.5GHz附近。
图：MLCC阻抗随频率的变化及其等效电路
为了使全频段得到较低的阻抗，需要并联多个电容，容值从小到大排列。在4G/5G PA设计和应用中，一般采用100pF、100nF及1uF的Bypass电容，分别覆盖GHz、几十MHz及十MHz以下频率。其中第一个100pF量级电容大多在芯片内部实现，100nF及1uF级别电容需要在芯片外部实现。下图为慧智微5G L-PAMiF产品S55255-12应用手册中的Vcc Bypass电容设计建议[2]，片外建议就近放置100nF及1uF两颗Bypass电容。
图：慧智微5G L-PAMiF S55255-12产品Bypass电容应用建议
除了在电源提供低阻路径外，Bypass电容还可以在其他射频通路提供低阻路径。例如下图分别为在发射极提供射频旁路路径，减少发射极负反馈电阻RE对射频增益的影响；以及利用电容Bypass特性，将直流路径与射频路径分开，在一路直流供电的Casecode连接叠管中,实现两级共源放大器[3]。
图：射极电阻Bypass及采用Bypass电容电流复用放大器
3、Decoupling电路
如果需要将不同的电路模块做隔离，防止他们之间的相互干扰，那么最好的方法是减少电路模块之间的线路的共用。不过，这通常在设计中是不现实的。不仅如此，在一些复杂电路设计中，甚至一些共用走线时的准则，如“电源要星型走线”等也无法实施，这时，就要设计好Decoupling电路，完成各电路模块间的Decoupling。下图为Decoupling电路在系统中的框图。
图：Decoupling电路在系统中的位置
典型的电源/射频Decoupling电路[4]如下图所示。在电路中，串联通路上采用了串联电感使串联通路在高频时表现出高阻，这可以帮助Bypass电容发挥旁路特性，确保高频噪声可以充分的旁路到地。其次，电路传输特性表现为低通特性，这样流经网络时高频电流将被抑制，只有低频电流可以流过，保持了供电的稳定。
图：典型Decoupling电路中的电流路径
如果说Bypass电路提供的低阻通路是为自身电路服务，那Decoupling电路就是为整体系统设计的去耦网络，需要将整个系统联合考虑。在Decoupling电路设计中，核心是要找到耦合线路以及信号环路，并采用有效的措施切断耦合线路，最小化信号的干扰环路。 在Decoupling电路设计中，有以下要点需要注意：
定位干扰源，并识别耦合环路。如果存在多个环路，则每个环路都需要做Decoupling处理。例如有些电路需要正压、负压及数字电路控制，在这些pin脚连接上都需要做去耦处理。
在Layout时，将Decoupling电路尽量靠近干扰源放置，以防止过长走线时走线上产生互感效应。例如芯片电源、数字控制端口的Decoupling电路应该靠近芯片端口就近放置。
Decoupling电路必要的时候需要加入损耗型元件，如电阻等。
Decoupling电路中所使用的器件在关心的频率有良好的射频特性，例如Bypass电容必须在所关心的频率呈现低阻（如Bypass章节分析），串联电感要注意其谐振频率。一般Decoupling电路使用的是贴片陶瓷电容，而不用长引出脚的陶瓷电容、电解电容。如下图所示。
图：（a）适合做高频Decoupling的贴片电容；（b）不适合做高频Decoupling的长引出脚电容
在Decoupling电路设计中，需要特别注意的是Decoupling电路接地点的选取。一定要识别并选取有效的Decoupling节点。下图针对高速运算放大器展示了两种负电源V-的Decoupling的设计方式[5]。 在第一种Decoupling中，选取节点在V-电源的某个位置中，这样选择之后，高频信号环路需要经过V-电源以及较长的地线才连接到Decoupling电容，电源及地线上接收到了大量的高频干扰，不是有效Decoupling。 第二种Decoupling中，将Decoupling电容直接跨接在在芯片V-电源出口及信号参考地上，高频信号保持在较少环路，对电源线及地线的低频影响小，是有效Decoupling。
图：非有效的Decoupling及有效的Decoupling
讨论了这么多decoupling的设计，那么在实际电路中decoupling到底有什么影响呢？我们以ADI高速低噪声运放AD9631为例进行说明。下图是AD9631驱动100Ω负载时的输出频谱（输出信号20MHz，2V-p-p）[6]。左图采用了合适的decoupling，频谱很干净，在2次谐波40MHz处谐波失真为-70dBc左右；右图是去掉decoupling后的频谱，可以看到明显的噪声。因此合适的decoupling电路十分重要。
图：Decoupling对AD9631性能的影响
四、Bypass与Decoupling的比较
通过以上比较，可以看到因为设计目标的不同，Bypass与Decoupling在设计方法和注意事项中有所不同。二者对比总结如下表：
参考文献
[1]. Gurov, Egor V., et al. "Analysis of the parasitic parameters influence on the analog filters frequency response." 2019 International Seminar on Electron Devices Design and Production (SED). IEEE, 2019.
[2]. S55355-12 Application Note, SmarterMicro.
[3]. Lin, Yi-Jing, et al. "A 3.1–10.6 GHz ultra-wideband CMOS low noise
amplifier with current-reused technique." IEEE Microwave and Wireless Components Letters 17.3 (2007): 232-234.
[4]. Ken Kundert, “Power Supply Noise Reduction”, Designer’s Guide Community, 2019.
[5]. Paul Brokaw. "An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change." Analog Devices Application Note, AN-202, Rev.B.
[6]. Hank Zumbahlen. "Basic Linear Design", 2007 Analog Devices, Inc.
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