射頻設計中“Bypass”和“Decoupling”的概念

射頻電路工作頻率高，與數字、模擬電路相比，射頻電路非理想特性眾多，寄生效應復雜。實際應用中，需要對射頻信號串擾、不同器件間隔離等做良好處理，稍有不慎，便會出現干擾、震蕩等問題。在射頻電路的測試中，實測結果與仿真結果不一致是家常便飯，實測被仿真完美預測的情況寥寥無幾。 ? “旁路（Bypass）”與“去耦（Decoupling）”處理不好是造成射頻實測異常的重要原因之一。雖然對于這兩個問題在設計時有一些經驗可循，但如果對問題成因理解不深，很有可能造成問題無法本質解決，嚴重時還會引起其他更嚴重的后果。

? 而且“Bypass”和“Decoupling”很多時候結構類似，很多人也將“Bypass電容”與“Decoupling電容”用做同義詞，不過二者的使用目的和設計考慮是不同的。

? 本文嘗試對“Bypass”和“Decoupling”的概念做一個討論，理解二者設計的基本理念，同時給出二者設計時注意的要點。

一、Bypass”與"Decoupling"的定義

圖：Bypass與Decoupling

? Bypass

Bypass（旁路）是指為射頻信號提供一個低阻通路（通常使用電容，如上圖中的），使射頻信號沿此低阻通路流動，減少射頻信號向其他高阻路徑的流動。

? Decoupling

目的是將共用連接線上的不同電路做隔離，一般由低通網絡構成。隔離的目標是不讓電路間的噪聲互相傳播干擾。

? 在上圖中Decoupling電路設計中，Bypass電容和Decoupling電路、共同完成Decoupling，這種設計方法在射頻電路實現中經常使用。 ? 以下將對Bypass和Decoupling電路做詳細討論。 ?

二、Bypass電路

? 理想情況下，電壓源提供低阻阻抗，但實際應用并非如此。電壓源的阻抗隨著頻率的升高而升高；另外由于電源走線的寄生電感效應，以及電源上連接其他器件的寄生效應，射頻芯片端口的射頻阻抗已經不再保證是低阻，這個時候，就需要用Bypass電容來提供低阻路徑。

圖：射頻芯片應用中，需要片外Bypass電容提供低阻路徑

? 在Bypass電容設計中，需要注意的是，由于寄生電感的存在電容無法在全頻段內保持低阻。隨著頻率升高，寄生電感與電容諧振，超過諧振頻率之后，電容表現為感性，頻率繼續升高阻抗增大。

? 一般MLCC電容寄生電感為0.3nH，可以以此來計算不同容值電容的諧振頻率。下圖為Murata不同容值電容串聯阻抗的測試值[1]，可以看到，1000pF電容低阻區域（<3 Ohm）在1GHz以下，而10pF所覆蓋的范圍在2~3.5GHz附近。

? ?圖：MLCC阻抗隨頻率的變化及其等效電路

? 為了使全頻段得到較低的阻抗，需要并聯多個電容，容值從小到大排列。在4G/5G PA設計和應用中，一般采用100pF、100nF及1uF的Bypass電容，分別覆蓋GHz、幾十MHz及十MHz以下頻率。其中第一個100pF量級電容大多在芯片內部實現，100nF及1uF級別電容需要在芯片外部實現。下圖為慧智微5G L-PAMiF產品S55255-12應用手冊中的Vcc Bypass電容設計建議[2]，片外建議就近放置100nF及1uF兩顆Bypass電容。

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圖：慧智微5G L-PAMiF S55255-12產品Bypass電容應用建議

? 除了在電源提供低阻路徑外，Bypass電容還可以在其他射頻通路提供低阻路徑。例如下圖分別為在發射極提供射頻旁路路徑，減少發射極負反饋電阻對射頻增益的影響；以及利用電容Bypass特性，將直流路徑與射頻路徑分開，在一路直流供電的Casecode連接疊管中,實現兩級共源放大器[3]。 ?

圖：射極電阻Bypass及采用Bypass電容電流復用放大器 ? ?

三、Decoupling電路

? 如果需要將不同的電路模塊做隔離，防止他們之間的相互干擾，那么最好的方法是減少電路模塊之間的線路的共用。不過，這通常在設計中是不現實的。不僅如此，在一些復雜電路設計中，甚至一些共用走線時的準則，如“電源要星型走線”等也無法實施，這時，就要設計好Decoupling電路，完成各電路模塊間的Decoupling。下圖為Decoupling電路在系統中的框圖。

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圖：Decoupling電路在系統中的位置

? 典型的電源/射頻Decoupling電路[4]如下圖所示。在電路中，串聯通路上采用了串聯電感使串聯通路在高頻時表現出高阻，這可以幫助Bypass電容發揮旁路特性，確保高頻噪聲可以充分的旁路到地。其次，電路傳輸特性表現為低通特性，這樣流經網絡時高頻電流將被抑制，只有低頻電流可以流過，保持了供電的穩定。

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圖：典型Decoupling電路中的電流路徑

? 如果說Bypass電路提供的低阻通路是為自身電路服務，那Decoupling電路就是為整體系統設計的去耦網絡，需要將整個系統聯合考慮。在Decoupling電路設計中，核心是要找到耦合線路以及信號環路，并采用有效的措施切斷耦合線路，最小化信號的干擾環路。

? 在Decoupling電路設計中，有以下要點需要注意：

定位干擾源，并識別耦合環路。如果存在多個環路，則每個環路都需要做Decoupling處理。例如有些電路需要正壓、負壓及數字電路控制，在這些pin腳連接上都需要做去耦處理。

在Layout時，將Decoupling電路盡量靠近干擾源放置，以防止過長走線時走線上產生互感效應。例如芯片電源、數字控制端口的Decoupling電路應該靠近芯片端口就近放置。

Decoupling電路必要的時候需要加入損耗型元件，如電阻等。

Decoupling電路中所使用的器件在關心的頻率有良好的射頻特性，例如Bypass電容必須在所關心的頻率呈現低阻（如Bypass章節分析），串聯電感要注意其諧振頻率。一般Decoupling電路使用的是貼片陶瓷電容，而不用長引出腳的陶瓷電容、電解電容。如下圖所示。

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圖：（a）適合做高頻Decoupling的貼片電容；
（b）不適合做高頻Decoupling的長引出腳電容?

? 在Decoupling電路設計中，需要特別注意的是Decoupling電路接地點的選取。一定要識別并選取有效的Decoupling節點。下圖針對高速運算放大器展示了兩種負電源V-的Decoupling的設計方式[5]。

? 在第一種Decoupling中，選取節點在V-電源的某個位置中，這樣選擇之后，高頻信號環路需要經過V-電源以及較長的地線才連接到Decoupling電容，電源及地線上接收到了大量的高頻干擾，不是有效Decoupling。

? 第二種Decoupling中，將Decoupling電容直接跨接在在芯片V-電源出口及信號參考地上，高頻信號保持在較少環路，對電源線及地線的低頻影響小，是有效Decoupling。

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圖：非有效的Decoupling及有效的Decoupling

? 討論了這么多decoupling的設計，那么在實際電路中decoupling到底有什么影響呢？我們以ADI高速低噪聲運放AD9631為例進行說明。下圖是AD9631驅動100Ω負載時的輸出頻譜（輸出信號20MHz，）[6]。左圖采用了合適的decoupling，頻譜很干凈，在2次諧波40MHz處諧波失真為-70dBc左右；右圖是去掉decoupling后的頻譜，可以看到明顯的噪聲。因此合適的decoupling電路十分重要。 ?

圖：Decoupling對AD9631性能的影響

四、Bypass與Decoupling的比較

? 通過以上比較，可以看到因為設計目標的不同，Bypass與Decoupling在設計方法和注意事項中有所不同。二者對比總結如下表： ?