十分透彻！详解去耦电容！文科生看完都理解了！

硬件笔记本 2024-04-06 11:04

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什么是去耦电容，为什么要去耦

1.简介

去耦（decoupling）电容也称退耦电容，一般都安置在元件附近的电源处，用来滤除高频噪声，使电压稳定干净，保证元件的正常工作。

2.分析

对于一个电路系统来说，一般有多个负载，这些负载的供电都来自于同一个电源

理想情况下，对于某个负载，电源应该是这样子的

但是电路板上各个负载的工作都要动态地吸收电流，造成的供电电压的不稳，变成了下面这样子

也就是在5V的DC上叠加了各种高频率的噪声，这些噪声是由于器件对供电电流的需求导致的电压波动，可以看成是在DC 5V上“耦和”了由于器件工作带来的AC噪声。
这样耦和了AC的DC供电电压不仅会影响本负载区域内的电路的工作，也会影响到其它连接在同一个VCC上的其它负载的工作，有可能导致那些负载的电路工作出现问题。

解决的方法就是在电源两端并上一个小容量电容

从电源上看，没有去耦电容的时候如左侧的波形，加上了去耦电容之后变成了右侧的样子，供电电压的波形变得干净了，我们称该电容的作用是去掉了耦和在干净的DC上的噪声，所以该电容被称之为去耦电容，当然也可以被称之为旁路（Bypass）电容，因为该电容将DC上耦和的噪声给旁路到地上去了，只留下干净的DC给后续的电路供电。

在整个系统每个负载都加一个去耦电容

至于电源输入端，也要加上电容去耦做输入滤波，弥补负载的滤波指数不够的情况。

去耦电容的选用

1.问题

了解了什么是去耦电容后，那么问题来了：

究竟需要多大容量的电容才能达到去耦的效果？
这么多不同种类的电容选用哪种电容合适呢？
为什么在很多电路上看到针对一个电源管脚会有多个容量大小不同、类型也不相同的电容一起工作呢？

2.分析

在一个芯片（比如FPGA/MCU）的电源管脚上需要多个不同容值、不同类型的电容并联达到较好的去耦效果。

我们用来去耦的电容器（不论是哪一种）用于在电源线上的瞬态干扰期间快速提供电流，它们都不只有“电容”一个属性，还有两个阻碍电流流动的部分：电阻（ESR） - 无论频率如何都呈现固定阻抗; 电感（ESL）- 随着频率的增加其阻抗也变得更高。而这三部分的值与电容的类型、容值、封装都有很大的关系。

作为最常用的去耦神器 - 陶瓷电容具有很低的ESR和ESL（它们也很便宜），其次是钽电容，提供适中的ESR和ESL，但相对有较高的电容/体积比，因此它们用于更高值的旁路电容，用于补偿电源线上的低频变化。对于陶瓷和钽电容，较大的封装通常意味着较高的ESL。

下图显示了0.1μF，封装为0603的陶瓷电容器的阻抗，该电容器具有850pH的ESL和50mΩ的ESR：

正如前面讨论的，去耦电容的作用就是平滑掉高频变动的纹波电流，理想的电容器可以很容易地实现这一点，因为电容器的阻抗随着频率的增加而降低。但由于ESL的存在，在某个频率下阻抗实际上随频率开始上升，这个频率点又被称为自谐振频率点。我们再对比一下1μF的钽电容器，它有2200pH的ESL和1.5Ω的ESR。

由于其较高的电容值，钽电容器的阻抗在开始阶段低于陶瓷的阻抗，但是较高的ESR和ESL的影响导致阻抗在100kHz附近变平，在1MHz-10MHz高于陶瓷电容的阻抗，在10MHz附近高出陶瓷的阻抗10倍。设想一下，如果电路中的噪声频率是在10MHz左右，即使钽具有更高的电容，也不如放置一颗0.1μF的陶瓷电容更有效。如果我们要旁路掉更高频率的噪声，即使这个陶瓷电容也会存在太大的阻抗，我们就需要更低的ESL，也就是更小的封装。

下图左侧表明两个同样是0603封装的电容并不改变其对高频噪声的去偶性能，只是相当于去耦电容的容量为二者的和而已，后面看到这个容量对旁路噪声的效果其实没有什么差别；而下图的右侧，一个0.1μF封装为0603的电容和100pF封装为0402的电容并联在一起，就可以覆盖更宽的高频范围，能够对两个频点的噪声进行去偶。

回到本篇文章第一个图，在同一个电源管脚并联了三个去耦电容：

4.7μF的钽电容，对比较低频率的噪声滤除比较有效；
0.1μF、0603的陶瓷电容，对1-50MHz区域的噪声滤除效果比钽电容有效；
0.001μF、0402的陶瓷电容，对于50MHz以上的高频噪声滤除比较有效；

具体的噪声频段可以通过电路分析（时钟频率）以及测量进行确定，由此需要选用相应类型、相应封装的电容进行去耦。多数的情况下我们用0.1μF陶瓷电容搭配一个钽电容，就足以满足系统对电源噪声的去耦效果。

所以，不同类型，不同容量，不同封装的电容，去耦的有效频率段也是不同的

陶瓷电容相对与电解电容，最低的等效阻抗的频率点更高
容量越小的电容，最低的等效阻抗的频率点更高
封装越小的电容，最低的等效阻抗的频率点更高

去耦电容的PCB布局布线

1.原理

先看一个很形象的动图，直观体会一下一个电容放置位置不同起到的作用有多大的差异。

这张动图传递了如下的信息：

在电源管脚上放置一个104（0.1μF）的电容能够有效抑制电源上的噪声，也就是能够对电源噪声去耦；
“电源 – 去耦电容 – 地”三点一线的距离越近，则去耦的效果越好；
相同材料的电容，即便电容容量减少为1/10，去耦的效果并不会有什么明显变化，我们对于高频去耦用同样封装的器件，容值为0.01μF、0.1μF、1μF效果相差不大；
同样容值，贴片（SMD）封装的电容比穿孔的电容效果更好，原因就是穿孔电容的管脚等效的电感要大很多，影响了去耦的效果；
电源平面和地平面的使用，一方面可以让三点一线的路径更短，而且两个平面相当于一个大电容，也起到了去耦的作用

2. 实例

来看具体的实例

在常用单片机stm32f103c8t6最小系统中，常常有这样四个去耦电容，分别对应芯片的四对供电引脚。
而在PCB中，这四个电容（图中白色框框中）在摆放合理的情况下越靠近mcu越好。

而在多电容去耦（对电源稳定要求极为苛刻的电路中），比如GSM的电源，需要多个不同容量/种类的电容。

对应下面红框框出的6+1个电容，其中越小的电容应当越靠近GSM的电源脚，比如C24是8.2pF，离GSM最近，C19是100nf，离GSM较远，最远的则是容量最大的330uf的钽电容

总结

下面的图是去耦电容通过过孔与地进行连通的方法比较，从最左侧的效果最差依次编号，直到最右侧效果最佳，当然具体采用那种方式还要取决于其它一些因素，综合考虑后做一个折衷。

下图是一个实际电子产品系统的供电分布网络，为了强调噪声的起源（最左侧），把电源模块（VRM）放到了最右侧。PCB上的走线、过孔、相关的器件引脚等都会产生寄生电阻、电感等，在图中以R+L的方式等效表达出来。在这个图中可以看出针对IC器件内部（Die）、针对整个IC器件（Package）、针对某一个功能模块中的电路单元都有相应的去耦电容，最左侧（靠近内核）采用频率响应很高的小容值、小封装的陶瓷电容，到右侧则是低频率、容量比较大的电解电容。