如何分清旁路電容與退耦電容？

在團(tuán)隊(duì)硬件圖紙?jiān)u審的過程中，經(jīng)常聽到有硬件工程師們張口閉口的這里加個(gè)旁路電容，那里加個(gè)電容?；蛘邌柕竭@個(gè)電容是什么作用時(shí)，多數(shù)工程師張口就是旁路，退耦等等...... ?有一部分人根本就沒弄懂這兩個(gè)詞的根本意思，只是憑著平時(shí)看公眾號(hào)文章，不求甚解的記錄概念。

作為硬件工程師，如果想要深入到高級(jí)和資深的職業(yè)生涯，就一定得尋根究底的研究問題，開始可能比較難建立知識(shí)體系，只要不斷深入，體系自現(xiàn)。

無論是旁路電容還是退耦電容，對(duì)于電容器來說，它往往不是單一的一個(gè)作用，嚴(yán)格來說旁路和去耦是電路過程中電容的一種功效，而在電容器上一般都是多種這樣的效果共同作用。

1、電容的旁路作用

旁路（Bypass），是指給信號(hào)中的某些高頻噪聲部分提供一條低阻抗的通路。電源中高頻干擾是典型的無用成分，需要將其在進(jìn)入目標(biāo)芯片之前濾除掉，一般我們采用電容到達(dá)該目的。用于該目的的電容就是所謂的旁路電容（Bypass Capacitor）,它利用了電容的頻率阻抗特性，可以看出旁路電容主要針對(duì)高頻干擾（高是相對(duì)的，一般認(rèn)為20MHz以上為高頻干擾，20MHz以下為低頻紋波）。

旁路電容就是把電源或者輸入信號(hào)中的交流分量的干擾作為濾除對(duì)象來工作的。

如上圖中，有了旁路電容，將電源 5V 中的交流分量進(jìn)行濾除。將藍(lán)色波形變成粉紅色的穩(wěn)定波形。一般來說，這個(gè)旁路電容需要靠近電源放置。

旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電 容比較適合作旁路電容，其電容值取決于 PCB 板上的瞬態(tài)電流需求，一般在 10 至 470μF 范圍內(nèi)。

2、電容的去耦作用

去耦電容（decoupling）一般放置在芯片的電源管腳附近，由于芯片自身用電過程中信號(hào)跳變產(chǎn)生的電源管腳對(duì)外的波形輸出，我們需要采用電容器進(jìn)行濾除。

在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和 ROM、RAM 等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦合的電容。

去偶電容是把信號(hào)電源管腳的輸出干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。

去耦電容也稱退耦電容，它在集成電路電源和地之間的有兩個(gè)作用：一方面充當(dāng)本集成電路的蓄能電容，另一方面可以旁路掉該器件的高頻噪聲 (電容對(duì)高頻阻抗小，將之瀉至 GND，也是提供一個(gè)高頻回路，所以從集成電路向外看，這個(gè)退耦電容也是旁路掉了自身的高頻噪聲信號(hào))。

數(shù)字電路中典型的去耦電容值是 0.1μF。這個(gè)電容的分布電感的典型值是 5μH。0.1μF 的去耦電容有 5μH 的分布電感，它的并行共振頻率大約在 7MHz 左右，也就是說，對(duì)于 10MHz 以 下的噪聲有較好的去耦效果，對(duì) 40MHz 以上的噪聲幾乎不起作用。1μF、10μF 的電容，并行共振頻率在 20MHz 以上，去除高頻噪聲的效果要好一些。每 10 片左右集成電路要加一片充放電電容，或 1 個(gè)蓄能電容，可選 10μF 左右。最好不用電解電容，電解電容是兩層薄膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。要使用 鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴(yán)格，可按 C=1/F，即 10MHz 取 0.1μF，100MHz 取 0.01μ。

退耦最早用于多級(jí)電路中，為保證前后級(jí)間傳遞信號(hào)而不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的而采取的措施。在電源中退耦表示，當(dāng)芯片內(nèi)部進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作或輸出發(fā)生變化時(shí)，需 要瞬時(shí)從電源在線抽取較大電流，該瞬時(shí)的大電流可能導(dǎo)致電源在線電壓的降低，從而引起對(duì)自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾，需要在芯片附近設(shè)置一個(gè) 儲(chǔ)電的“小水池”以提供這種瞬時(shí)的大電流能力。

在電源電路中，旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對(duì)器件本身的干擾（自我保護(hù)）；退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對(duì)電源的干擾（家丑不外揚(yáng)）。有人說退耦是針對(duì)低頻、旁路是針對(duì)高頻，我認(rèn)為這樣說是不準(zhǔn)確的，高速芯片內(nèi)部開關(guān)操作可能高達(dá)上GHz，由此引起對(duì)電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍，為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。所以我們?cè)谝话愕挠懻撝胁⒉豢桃鈪^(qū)分退耦和旁路，認(rèn)為都是為了濾除噪聲，而不管該噪聲的來源。

2、案例分析

帶去耦合和不帶去耦合情況下的電流

電源供電線路中的電感將限制暫態(tài)電流。去耦電容與器件非常接近，因此電流路徑的電感很小。在暫態(tài)過程中，該電容器可在非常短的時(shí)間內(nèi)向器件提供超大量的電流。未采用去耦電容的器件無法提供暫態(tài)電流，因此放大器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)會(huì)下垂（通常稱為干擾）。無去耦電容的器件其內(nèi)部電源干擾會(huì)導(dǎo)致器件工作不連續(xù)，原因是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)未獲得正確的偏置。

編輯：黃飛

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