大家一起学元器件知识（1） - 去耦电容

jimmy · 发表于 2014-9-5 10:03

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本帖最后由 jimmy 于 2014-9-5 10:12 编辑

一、简介

在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。

从电路来说，总是存在驱动电源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。

去耦和旁路都可以看作滤波。

去耦电容相当于电池，避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大，对更高频率的噪声，基本无效。旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频率阻抗特性。

电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率，会发生谐振，此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还要考虑电容的介质，一个比较保险的方法就是多并几个电容。

二、相关作用

2.1 去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰，干扰的进入方式是通过电磁辐射。

而实际上，芯片附近的电容还有蓄能的作用，这是第二位的。

你可以把总电源看作密云水库，我们大楼内的家家户户都需要供水，
这时候，水不是直接来自于水库，那样距离太远了，
等水过来，我们已经渴的不行了。
实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个缓冲器的作用。
如果微观来看，高频器件在工作的时候，其电流是不连续的，而且频率很高，
而器件VCC到总电源有一段距离，即便距离不长，在频率很高的情况下，
阻抗Z=i*wL+R，线路的电感影响也会非常大，
会导致器件在需要电流的时候，不能被及时供给。
而去耦电容可以弥补此不足。
这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一
（在vcc引脚上通常并联一个去耦电容，这样交流分量就从这个电容接地。）

2.2 去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。

去耦电容在集成电路电源和地之间有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH。0.1μF的去耦电容有5nH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，计算方法为也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF的电容，并行共振频率在2MHz以上，去除低频噪声的效果要好一些。每10片左右集成电路要加一片充放电电容，或1个蓄能电容，可选10μF左右。最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，其电容值可按C=1/F来计算，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。

三、关于去耦电容的选择

去耦电容的选择不存在与频率的精确对应关系，理论上越大越好，但现实中所有器件都不是理想器件，不论何种电容，ESL、ESR都是必然存在的，于是实际电容的频响曲线明显呈非线性，仅在一定频率区间内基本符合纯电容的理论计算结果，超出一定界限后就与理论值越差越远，超到一定程度后甚至电容将不再是电容了，这个频率称自谐振频率，同样材料和制造工艺下，容量越小的电容自谐振频率越高。所以去耦电容的选择除了需大致考虑频率外，还要考虑负载的情况，在一定频率之后还得考虑电容的材料和生产工艺等，在此基础上综合的结果决定去耦电容的容量和种类。

通常数字电路的噪声频率在兆至百兆量级区间，这个区间的噪声采用陶瓷独石介质的0.1uF电容就可取得合适的效果，如果负载较重或噪声较强，可选择更大容量的电容或用多个电容并联，同样容量和电容材料下，小电容并联的效果强于单一大电容，频率越高越明显，高频去耦则需采用大小电容并联的方式分别对付不同频谱的噪声。

一般去耦电容的容量选取原则

100M以下轻载：0.1uF，重载或存在较大低频噪声的可加并1－10uF的电容，介质材料选择陶瓷或钽为宜；

100M－1000M：前述＋100－1000pF（＋10pF），括号内根据频率的高限选择是否需要，小电容的介质选择必须是高频陶瓷，早期则多用云母，

1G以上：前述＋1－10pF，介质最好选择高Q微波陶瓷材料。

高频重载时必须用多个小电容并联切不可直接用大电容。

顺便一说，技术上去耦电容不是一般称的滤波电容，滤波电容指电源系统用的，去藕电容则是分布在器件附近或子电路处主要用于对付器件自身或外源性噪声的特殊滤波电容，故有特称——去耦电容，去耦指“去除（噪声）耦合”之意。