電力分配システム (PDS) のデザイン : バイパスキャパシタおよび ... - Xilinx

電力分配システム (PDS) のデザイン : バイパス キャパシタおよびデカップリング キャパシタの使用
キャパシタの有効周波数
どのキャパシタにも、デカップリング キャパシタとして有効になる狭い周波数帯域があります。この帯
域外では、PDS に対する寄与がほとんどなくなります。この周波数帯域は、キャパシタの種類によって
異なります。たとえば、タンタル キャパシタは有効帯域が非常に広く、X7R チップ キャパシタは非常
に狭くなっています。
有効周波数帯域は、キャパシタの共振周波数に対応します。理想的なキャパシタには容量という特性し
かありませんが、実際のキャパシタには寄生インダクタンスや寄生抵抗という特性もあります。これら
の寄生特性によって、図 3 に示したように RLC 回路が形成されます。この RLC 回路に対応する共振周
波数が、キャパシタの共振周波数です。
キャパシタの共振周波数を計算するには、次の式を使用します。
XAPP623 (v1.0) 2002 年 8 月 8 日 www.xilinx.co.jp 7
式 1
あるいは、さまざまな周波数値について寄生特性と共に SPICE でシミュレーションすることもできま
す。この場合、インピーダンス値が最小になる周波数が共振周波数になります。
キャパシタの自己共振周波数と、システムの一部として実装したキャパシタの実効共振周波数を区別す
ることは重要です。この違いは、キャパシタの寄生インダクタンスだけを考慮に入れるか、キャパシタ
の寄生インダクタンスだけでなくキャパシタと FPGA の間にあるスルーホール、プレーン、接続トレー
スの寄生インダクタンスも考慮に入れるかということです。キャパシタの自己共振周波数 FRSELF の値
(キャパシタのデータシートに記載されています) は、システムに実装した場合の実効共振周波数よりも
かなり大きくなります。重要なのは実装したキャパシタのパフォーマンスなので、特定の周波数につい
てノイズを削減するためにキャパシタを選択する場合に使用するのは実効共振周波数です。この、シス
テム内における実効共振周波数を、FRIS で表します。
実装した場合の寄生インダクタンスの値を決定するのは、主にキャパシタ自体の寄生インダクタンス、
PCB のランドと接続トレースのインダクタンス、スルーホールのインダクタンスです。V CC プレーンと
GND プレーンが離れている PCB (5 ミル以上) では、電源プレーンのインダクタンスも関係します。通
常、スルーホールはボードのスタックアップ全体を通ります (通常、高周波キャパシタはボードの裏面
に取り付けられます)。スルーホールとランド、接続トレースを合わせると、寄生インダクタンスは最終
的な厚さが 60 ミルのボードで 300 ~ 900pH の範囲になります。このパスは各キャパシタについて 2 つ
ずつあるので、キャパシタの寄生インダクタンスにこの値の 2 倍を加える必要があります。この、キャ
パシタのマウンティングの寄生インダクタンスを、LV14 で表します。システム内のキャパシタの総寄生
インダクタンス LIS を計算するには、キャパシタ自体の寄生インダクタンス LSELF をマウンティングの
寄生インダクタンスに加えます。
例
1
F =
------------------
2π LC
L IS = L SELF + L VIA
X7R セラミック チップ キャパシタ (AVX のキャパシタ データを使用)
C = 0.01μF
LSELF = 0.9nH
FRSELF = 53MHz
LVIA = 0.8nH
R