為什么需要去耦？去耦電容容值怎么選？

相信大家都知道對于電路設計，芯片的供電管腳需要增加一個去耦電容，往往很多“前輩”會告訴你，根據(jù)“前輩”的數(shù)十年的經(jīng)驗，容值選0.1uF就好了。

那這里有幾個需要深究的問題：

1. 為什么需要去耦？

2. 去耦電容容值怎么選？

3. 用什么類型的去耦電容？

為什么要去耦？

芯片作為系統(tǒng)產(chǎn)品設計的核芯，為了保證其在復雜的電磁環(huán)境下可靠穩(wěn)定的工作是作為硬件工程師的一個設計基本要求。

如下圖所示，在芯片的供電管腳和接地管腳之間并聯(lián)一個去耦電容，利用電容的儲能特性，可在芯片電源出現(xiàn)短時波動為芯片提供相對穩(wěn)定的電壓，保證芯片的供電穩(wěn)定，但往往這個我們又稱之為儲能電容，相對去耦電容都是容值較小，而儲能電容則是容值較大的。

當系統(tǒng)受到高頻電磁干擾時，去耦電容的高頻阻抗特性可將干擾信號旁路，減小流向芯片的干擾，起到保護芯片的作用。

當芯片內(nèi)部有高頻信號，去耦電容同樣可以抑制芯片對外發(fā)射干擾信號的作用。

所以，去耦電容的主要作用是抑制外部高頻信號對芯片的干擾，同時也抑制芯片內(nèi)部的高頻信號對外部的干擾。

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旁路電容？去耦電容？

旁路電容（bypass capacitor），去耦電容（decoupling capacitor），從兩者字面意思理解，bypass就是一個低通濾波的效果，將高頻信號旁路到地。而去耦的字面意思是去除高頻耦合信號。

往往基于以上的理解，我們把模擬芯片（運算放大器，LDO等線性器件）的供電管腳的電容稱之為旁路電容，用以旁路外部的高頻信號。把一些數(shù)字芯片或者芯片內(nèi)部會產(chǎn)生高頻信號的器件的供電管腳的電容稱之為去耦電容。

但實際上我們不用太在意這個叫法，比如模擬芯片的旁路電容實際上也可以稱之為前端系統(tǒng)的去耦電容（去除該模擬芯片供電系統(tǒng)的高頻耦合信號）。

去耦電容容值怎么選？ 上面我們知道了去耦電容的主要作用，那這個去耦電容到底怎么選擇呢？ 如下圖所示，這是電容的常用的一個等效模型，包括等效串聯(lián)電阻ESR，等效串聯(lián)電感ESL以及電容值。

基于此，可以得到電容的等效阻抗Z=R+jwL-1/jwC，為了簡化，其中用R表示ESR，L表示ESL，基于此如下是其阻抗表達式的絕對值部分，從如下公式可以看出，在諧振頻率fo處擁有最小的阻抗。







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。



上圖是各種100 uF電容的頻率響應。理論上，電容阻抗將隨著頻率增加呈單調(diào)下降。但由于ESR使阻抗曲線變得平坦。隨著頻率不斷升高，阻抗由于電容的ESL而開始上升。

底部位置和寬度將隨著電容結構、電介質(zhì)和等效器件的值而變化。因此常常可以看到較大值電容與較小值電容并聯(lián)。較小值電容通常具有較低ESL，與較高頻率的電容看似相同。這可以在更寬頻率范圍內(nèi)擴展并聯(lián)組合的總體性能。

此外，上圖可以看出對于同樣容值將顯示大致形狀與圖示類似的阻抗曲線。雖然實際曲線圖有所不同，但大致形狀相同。最小阻抗由ESR決定，高頻區(qū)域由ESL決定(后者很大程度上受封裝樣式影響)。

下面我們又分別截取TDK官網(wǎng)0.1uF、1uF、10nF電容的阻抗特征曲線，從給出的曲線可以看出，0.1uF對應20MHz的諧振頻率，1uF對應5MHz的諧振頻率，10nF對應60MHz的諧振頻率。

TDK電容（0.1uF）特征曲線

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TDK電容（1uF）特征曲線

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TDK電容（10nF）特征曲線

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顯然，在實際工程應用中，很難非常準確的知道需要去耦的高頻信號頻率，但可以判定一個寬泛的區(qū)間，然后盡量把選擇去耦電容的諧振頻率點在想要濾除的高頻信號區(qū)間內(nèi)。

對于大部分的硬件工程師遇到的模擬器件，例如運算放大器、LDO、DC-DC、ADC、DAC等等，其不管是芯片內(nèi)部的高頻信號還是芯片供電管腳的前端系統(tǒng)可能存在的高頻信號的頻率基本上收斂在10MHz~40MHz以內(nèi)，這樣選取0.1uF這種20MHz諧振頻率的電容就相對會有更好的去耦電容。

當然，以上只是一個很寬泛的區(qū)間，實際上每個系統(tǒng)千差萬別，每個芯片也差異很大，作為模擬工程師，還是要根據(jù)實際的具體應用選擇最合適的去耦電容。

用什么類型的去耦電容？

電解電容：電解電容均有極性，因此無法耐受約一伏以上的反向偏置電壓而不造成損壞。大多數(shù)去耦應用不建議使用電解電容。

多層陶瓷(MLCC)表面貼裝電容的極低電感設計可提供近乎最佳的RF旁路，因此越來越頻繁地用于10 MHz或更高頻率下的旁路和濾波。更小的陶瓷芯片電容工作頻率范圍可達1 GHz。對于高頻應用中的這些及其他電容，可通過選擇自諧振頻率高于最高目標頻率的電容，確保有效值。

薄膜型電容一般使用繞線，增加了電感，因此不適合電源去耦應用。此類型更常用于音頻應用，此時需要極低電容和電壓系數(shù)。

審核編輯：劉清