為何要引入去耦電容？在選擇去耦電容的容值時應該考慮哪些因素？

眾所周知，在電路設計中，確保芯片的可靠供電是至關重要的。在芯片的供電管腳處通常會引入去耦電容。按照經驗豐富的前輩們多年來的建議，常常會推薦選擇0.1uF的電容容量。

然而，在這個領域還存在著一些需要深入探討的問題：

1.為何有必要引入去耦電容？

2.在選擇去耦電容的容值時應該考慮哪些因素？

3.哪種類型的去耦電容更為適用？

為何需要去耦電容？在系統(tǒng)產品設計中，芯片作為核心，必須在復雜的電磁環(huán)境下保持穩(wěn)定可靠的工作。以圖示為例，我們在芯片的供電管腳和接地管腳之間并聯(lián)一個去耦電容。通過充分利用電容的儲能特性，這個去耦電容能夠在芯片電源短時波動的情況下，提供相對穩(wěn)定的電壓，從而確保芯片供電的穩(wěn)定性。這里需要注意，有時我們會將這個電容稱之為“儲能電容”，與常見的“去耦電容”相比，儲能電容通常具備更大的容量。

當系統(tǒng)受到高頻電磁干擾時，去耦電容的高頻阻抗特性能夠將干擾信號有效旁路，從而減小干擾信號進入芯片的影響，以起到保護芯片的作用。同樣，在芯片內部存在高頻信號時，去耦電容同樣能夠抑制芯片向外部發(fā)射干擾信號的效果。

旁路電容？去耦電容？

在電子領域中，我們常常會遇到兩個名詞：旁路電容（bypass capacitor）和去耦電容（decoupling capacitor）。從字面上理解，旁路電容的作用類似于低通濾波，將高頻信號旁路至地。而去耦電容則意味著消除高頻耦合信號。

通常，根據(jù)以上理解，我們將模擬芯片（如運算放大器、線性穩(wěn)壓器等）的電源引腳上的電容稱為旁路電容，其作用是將外部的高頻信號進行旁路處理。而對于一些數(shù)字芯片或者那些內部可能會產生高頻信號的元件，我們則將其電源引腳上的電容稱為去耦電容。

然而，實際情況中我們并不必過于拘泥于這些術語的區(qū)分。以模擬芯片為例，我們也可以稱其電源引腳上的電容為前端系統(tǒng)的去耦電容，因為它實際上在去除該模擬芯片供電系統(tǒng)中的高頻耦合信號方面發(fā)揮作用。

關于去耦電容的容值如何選擇呢？在前文中，我們已經了解了去耦電容的主要作用。那么在選擇去耦電容的容值時需要考慮哪些因素呢？下圖展示了電容的常見等效模型，包括等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）以及電容值。

基于這些模型，電容的等效阻抗可以表示為Z = R + jwL - 1 / jwC。為了簡潔表達，我們用R代表ESR，L代表ESL?；谶@些，下方是絕對值部分的阻抗表達式，從中可以看出在諧振頻率fo處阻抗最小。

由此可以看出，選擇去耦電容的諧振頻率盡量接近想要濾除的高頻干擾信號的頻率，這樣可以達到最好的去耦效果。

理論上，隨著頻率的增加，電容的阻抗應該呈單調下降趨勢。然而，由于等效串聯(lián)電阻（ESR）的存在，阻抗曲線會變得平坦。當頻率不斷升高時，電容的等效串聯(lián)電感（ESL）導致阻抗開始上升。

電容的底部位置和寬度會隨著其結構、電介質以及等效元件值的不同而變化。因此，我們常常會看到將較大容值的電容與較小容值的電容并聯(lián)使用。較小容值的電容通常具有較低的等效串聯(lián)電感（ESL），因此在較高頻率下，其阻抗與較高容值的電容類似。這種組合可以在更寬的頻率范圍內拓展并聯(lián)電容的總體性能。

另外，通過上述圖示，我們可以看出相同容值的電容將呈現(xiàn)大致相似的阻抗曲線形狀。雖然實際的曲線圖會有所不同，但總體形狀相似。最小阻抗取決于ESR，而高頻區(qū)域的阻抗受到ESL的影響（ESL在很大程度上受到封裝樣式的影響）。

接下來，我們將重點關注TDK官網(wǎng)提供的0.1uF、1uF和10nF電容的阻抗特征曲線。從這些曲線中可以明顯觀察到，0.1uF電容對應著20MHz的諧振頻率，1uF電容對應著5MHz的諧振頻率，而10nF電容則對應著60MHz的諧振頻率。

TDK電容（0.1uF）特征曲線

TDK電容（1uF）特征曲線

TDK電容（10nF）特征曲線

在實際的工程應用中，明確需要去耦的高頻信號頻率往往并不容易。然而，我們可以確定一個廣泛的頻率區(qū)間，然后致力于選擇去耦電容的諧振頻率，使其處于我們欲削弱高頻信號的范圍之內。

對于絕大多數(shù)從事硬件工程的工程師，如運算放大器、LDO、DC-DC、ADC、DAC等模擬器件，無論是芯片內部的高頻信號還是芯片供電管腳的前端系統(tǒng)潛在的高頻信號，其頻率通常集中在10MHz至40MHz之間。在這種情況下，選擇具備20MHz諧振頻率的0.1uF電容，作為去耦電容，相對而言可以實現(xiàn)更好的去耦效果。

當然，上述只是一個大致的頻率范圍，實際情況因系統(tǒng)的多樣性和芯片的差異性而千差萬別。作為模擬工程師，根據(jù)具體的應用場景來選擇最為合適的去耦電容是至關重要的。

那么，應該選擇哪種類型的去耦電容呢？

首先，電解電容不被推薦用于去耦應用，因為其具有極性，無法承受超過一伏的反向偏置電壓而不受損害。

多層陶瓷（MLCC）表面貼裝電容以其低電感設計在RF旁路方面能夠提供近乎最佳的性能，因此在10 MHz甚至更高頻率的旁路和濾波應用中變得越發(fā)常見。而小型陶瓷芯片電容的工作頻率范圍甚至可達1 GHz。對于這些以及其他高頻應用，我們可以通過選擇自諧振頻率高于目標頻率的電容，來確保其在實際應用中表現(xiàn)出良好的性能。

薄膜型電容則常常采用繞線結構，從而引入了電感，因此并不適用于電源去耦的應用。這類電容在音頻領域更加常見，特別是需要極低電容和電壓系數(shù)的場景。