電容模型本質(zhì)

摘要：搞電子的不知道小伙伴有沒有被問到過，芯片附近放置的電容是多少？當(dāng)你回答說是0.1uF，當(dāng)你心里暗自慶幸還好自己知道的時(shí)候，面試官突然又問道為什么選取0.1uF？想必此時(shí)不少小伙伴都會(huì)想到，我看別人都是這么畫的，官方推薦也是這么干的，如果你是這么回答，那面試官是不會(huì)滿意的。

怎么回答才算是牛X呢？電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)器件可以說是都不是沒有根據(jù)的隨便選型，只是可能到你手里之后，已經(jīng)經(jīng)過多方驗(yàn)證，是成型的原理圖，參數(shù)不需要修改，所以關(guān)注的也少。回歸正題，接下來分析分析，上面提到的，為什么是0.1uF電容，而不是1uF、10uF......

一、電容模型本質(zhì)

先來看看電容，電容的作用簡單的說就是存儲(chǔ)電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波，在每個(gè)芯片的電源腳放置一個(gè)0.1uF的電容去耦。等等，怎么我看到有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么講究嗎。要搞懂這個(gè)道道就要了解電容的實(shí)際特性。理想的電容它只是一個(gè)電荷的存儲(chǔ)器，即C。而實(shí)際制造出來的電容卻不是那么簡單，分析電源完整性的時(shí)候我們常用的電容模型如下圖所示。

果果小師弟original

圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻，ESL是電容的串聯(lián)等效電感，C才是真正的理想電容。ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的，沒法消除。那這兩個(gè)東西對(duì)電路有什么影響。ESR影響電源的紋波，ESL影響電容的濾波頻率特性。

電容的容抗

電感的感抗

實(shí)際電容的復(fù)阻抗為

可見當(dāng)頻率很低的時(shí)候是電容起作用， 而頻率高到一定的時(shí)候電感的作用就不可忽視了，再高的時(shí)候電感就起主導(dǎo)作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住，高頻的時(shí)候電容就不是單純的電容了。

電容阻抗-頻率曲線圖

二、旁路和去耦

旁路電容(Bypass Capacitor)和去耦電容(Decoupling Capacitor)這兩個(gè)概念在電路中是常見的，但是真正理解起來并不容易。要理解這兩個(gè)詞匯，還得回到英文語境中去。

1、Bypass

Bypass在英語中有抄小路、旁路的意思，在電路中也是這個(gè)意思，如下圖所示。

果果小師弟original

couple在英語中是一對(duì)的意思，引申為配對(duì)、耦合的意思。如果系統(tǒng)A中的信號(hào)引起了系統(tǒng)B中的信號(hào)，那么就說A與B系統(tǒng)出現(xiàn)了耦合現(xiàn)象(Coupling)，而Decoupling就是減弱這種耦合的意思。

2、Decoupling

Couple 一對(duì)，一雙。動(dòng)詞引申為配對(duì)，連接的意思。如果系統(tǒng)A中出現(xiàn)的事物(信號(hào))引起了系統(tǒng)B中一事物(信號(hào))的出現(xiàn)，或者反過來，那么我們就說系統(tǒng)A與系統(tǒng)B出現(xiàn)了耦合(Coupling)。Decoupling退耦即減弱這種耦合。

果果小師弟original

三、電路中的旁路和去耦

如下圖中，直流電源Power給芯片IC供電，在電路中并入了兩個(gè)電容。

果果小師弟original

1、旁路

如果Power受到了干擾，一般是頻率比較高的干擾信號(hào)，可能使IC不能正常工作。

在靠近Power處并聯(lián)一個(gè)電容C1，因?yàn)殡娙輰?duì)直流開路，對(duì)交流呈低阻態(tài)。

頻率較高的干擾信號(hào)通過C1回流到地，本來會(huì)經(jīng)過IC的干擾信號(hào)通過電容抄近路流到了GND。這里的C1就是旁路電容的作用。

2、去耦

由于集成電路的工作頻率一般比較高，IC啟動(dòng)瞬間或者切換工作頻率時(shí)，會(huì)在供電導(dǎo)線上產(chǎn)生較大的電流波動(dòng)，這種干擾信號(hào)直接反饋到Power會(huì)使其產(chǎn)生波動(dòng)。

在靠近IC的VCC供電端口并聯(lián)一個(gè)電容C2，因?yàn)殡娙萦袃?chǔ)能作用，可以給IC提供瞬時(shí)電流，減弱IC電流波動(dòng)干擾對(duì)Power的影響。這里的C2起到了去耦電容的作用。

四、為什么要用2個(gè)電容

回到本文最開始提到的問題，為什么要用0.1uF和0.01uF的兩個(gè)電容？

電容阻抗和容抗計(jì)算公式分別如下：

容抗與頻率和電容值成反比，電容越大、頻率越高則容抗越小，對(duì)交流電的阻礙作用就越小?？梢院唵卫斫鉃殡娙菰酱螅瑸V波效果越好。那么有了0.1uF的電容旁路，再加一個(gè)0.01uF的電容不是浪費(fèi)嗎？

實(shí)際上，對(duì)一個(gè)特定電容，當(dāng)信號(hào)頻率低于其自諧振頻率時(shí)呈容性，當(dāng)信號(hào)頻率高于其自諧振頻率時(shí)呈感性。當(dāng)用0.1uF和0.01uF的兩個(gè)電容并聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于拓寬了濾波頻率范圍。

兩種方式組合濾波

實(shí)際電路中我們需要去耦的頻率范圍會(huì)比較寬，因此一個(gè)電容搞不定，那怎么辦呢？我們經(jīng)常有兩種方法來解決，一種是使用一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)，還有一種是使用多個(gè)相同的電容并聯(lián)。

以下是正點(diǎn)原子開發(fā)板上面的一些模塊芯片的電路，可供參考。

五、電容選型建議

所以，以后不要見到什么都放0.1uF的電容，有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。

審核編輯 ：李倩