浅谈去耦电容的作用、选择、布局及其它电容的区别！

在一些文章资料中，去耦电容器被认为是旁路电容器。在其他资料中，去耦电容和旁路电容的区别在于：“旁路电容以输入信号中的干扰为滤波对象，而去耦电容以输出信号的干扰为滤波对象，防止干扰信号返回到输出端。”力量。”

从名字上看，解耦就是去除耦合的效果。那么什么是耦合，为什么会出现耦合呢？

这里的耦合是指前一级的输出与后一级的输入之间的耦合。所谓耦合是指“在数字电路中，当电路从一种状态转换到另一种状态时，电源线上会产生很大的峰值电流，形成瞬态噪声电压，影响电路的正常工作”。前级。这是联轴器。” 按这个理解，就很接近前面提到的电源电压波动的第二个原因，就是后级器件汲取的电流增大，影响其他器件而引起的。

解决这个问题的去耦电容的作用就是充当储能电池，满足驱动电路的电流变化，从而避免相互耦合干扰。

综上所述，去耦电容有两个作用。第一个是类似于旁路电容的功能，将器件输出的高频噪声旁路；二是充当存储电容，在负载所需电流突然增大时提供电源，以满足驱动电路的电流变化。这与大容量电容器的功能非常相似，两者的区别将在后面讨论。

去耦电容 VS 旁路电容

电容器的一个重要电气特性是“通交流，阻直流”，其电抗计算公式如下：

Z=1/2πfC，其中f是信号频率

旁路电容的作用是将系统中的高频噪声旁路至GND。一般在电源引脚与GND之间并联一些小电容（典型值为0.1uF）的电容，如下图所示，将高频噪声短路至GND，防止噪声进入设备的电源引脚。

滤除高频噪声是旁路电容最重要的功能，但是如果考虑一下电容是如何完成这个功能的，或者说电容是如何通过交流电并阻挡直流电的。其实本质是电容器是电能的储能装置。当两极电压差迅速增大时，电容器充电；当电压差减小时，电容器放电。从这一点来看，旁路电容也可以看作是一个小型能量库，与后面介绍的去耦电容和大容量电容类似。

去耦电容 VS 大容量电容

大电容的作用很明确，就是当电源负载瞬间需要大电流时，它可以给电路提供足够的电流，保证电源电压的稳定，相当于储能器。因此，大容量电容一般选择电容量较大的有极性电解电容，一般与稳压器的输出引脚并联布置。

大容量电容的储能功能与去耦电容非常相似，那么两者有什么区别呢？

两者在这个功能上没有本质区别，只是大容量电容覆盖的面积更大，往往覆盖一个面积，并且可以存储和提供更多的能力。去耦电容可以说是本地化使用，每个芯片都配备了自己的去耦电容。与大容量电容器相比，去耦电容器的能量存储较少，但响应速度更快。去耦电容需要放置在高频信号引脚旁边，且距离足够近。这是大容量电容器无法做到的，因为它们尺寸较大。当这些引脚高速变化时，旁边的去耦电容为它们提供足够的能量。

• 旁路电容主要对输入信号进行滤波；主要作用是降低电路中纹波的幅值，从而保证电路的正常工作。
• 滤波电容主要对电源进行滤波，其作用是降低电源纹波的幅值，以保证电路的正常工作。
• 去耦电容主要作为滤波对象滤除输出信号的信号干扰；有两个主要功能；1、储能。当负载瞬态电流变化时，电容器对负载放电，充当本地电源；2.阻抗。主要用于降低电力系统的交流阻抗。

如何选择合适的去耦电容？

下面道合顺将详细介绍去耦电容的选择：

去耦电容是安装在电路中元件电源端的电容。这个电容可以提供相对稳定的电源，同时可以减少耦合到组件电源端的噪声，间接减少噪声对其他组件的影响。

市场上有多种类型的去耦电容器，每种都有不同的电气特性、极性和成本。以下是一些常见的去耦电容器信息，可帮助您为实际应用选择合适的去耦电容器。

1.陶瓷电容器

优势

• 体积小，成本低
• 低ESR（等效串联电阻）

坏处

• 电容范围有限
• 温度稳定性差，电容值随温度和电压变化

应用

• 高频产品

2、铝电解电容器

优势

• 更广泛的值范围
• 更低的花费

坏处

• 漏电流随着温度和电压的升高而增大
• 寿命短

应用

• 消费产品

3、铝聚合物电容器

优势

• 极低的ESR
• 相对较小的外壳

坏处

• 当温度升至 105°C 或以上时，性能迅速恶化

应用

• 笔记本电脑、平板显示器、数字交换机

4、钽电容

优势

• 低ESR
• 非常稳定和准确

坏处

• 通常限制为 50 V 或更低
• 反向电压连接可能导致火灾

应用

• 军事通讯、航空航天

PCB 布局中去耦电容器的布局

下面将讨论去耦电容器的放置。

如果您在设计中跳过去耦电容器，会发生什么情况？

如果没有去耦电容器，板载微控制器将无法正常工作，因为电压波动会使其进入断电模式，从而将其重置。任何获得可靠 ADC 转换的尝试都是徒劳的，因为模拟电压源几乎不稳定。如果您将未安装去耦电容器的 PCB 发送到现场，由于电气噪声较大，您会遇到许多奇怪的问题。

那么，在 PCB 上随机放置一些去耦电容可以解决问题吗？

去耦电容器的放置对于减轻电压波动至关重要。如果电容器没有放置在正确的位置，影响将是最小的。在某些情况下，去耦电容器的错误放置本身就是一个问题，因为它会吸收耦合到铜迹线的 EMI。

去耦电容应该如何正确放置？

电容器的去耦半径

电容去耦的一个重要问题是电容器的去耦半径。大部分资料都会提到电容要尽可能靠近芯片放置，而且大部分资料都是从减小环路电感的角度讲放置距离。确实，减小电感是一个重要原因，但还有一个重要原因大多数资料都没有提到，那就是去耦半径的问题。如果电容器距离芯片太远，超出其去耦半径，电容器将失去其去耦作用。

了解去耦半径的最佳方法是查看噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片的电流需求发生变化时，电源层的一小部分局部区域会产生电压扰动。为了补偿该电流（或电压），电容器必须首先感测该电压干扰。信号在介质中传播需要时间，因此局部电压干扰的发生和干扰的电容感测之间存在时间延迟。同样，电容器的补偿电流到达扰动区域也需要一定的延迟。因此，必然会造成噪声源与电容补偿电流之间的相位不一致。

特定电容器最擅长补偿与其自谐振频率相同的噪声，即我们测量这种相位关系的频率。设自谐振频率为f，对应的波长为λ，补偿电流的表达式可以通过波动方程来推导得到：

波动方程：∇²ψ - 1/v² * ∂²ψ/∂t² = 0

假设补偿电流表达式为I(x, t)，其中x为位置坐标，t为时间。根据波动方程，补偿电流的传播速度也为v。

由于补偿电流与自谐振频率相同，因此可以把补偿电流表达式写成一个正弦函数形式：

I(x, t) = A * sin(2πf(t - x/v))

其中，A为电流幅值，f为自谐振频率，t - x/v为相位。

补偿电流的波长为λ，故 λ = v / f，即 v = fλ。

将v代入补偿电流表达式，得到：

I(x, t) = A * sin(2πf(t - x/(fλ)))

这就是补偿电流的表达式。

其中，A为电流幅值，R为待补偿区域到电容的距离，C为信号传播速度。

当扰动区域到电容的距离达到λ/4时，补偿电流的相位为π，与噪声源的相位正好相差180度，即完全异相。此时补偿电流不再起作用，解耦功能失效，补偿能量无法及时输送。为了有效地传递补偿能量，噪声源与补偿电流之间的相位差应尽可能小，最好同相。距离越近，相位差越小，传递的补偿能量越多。如果距离为0，则100%的补偿能量转移到扰动区域。这就要求噪声源尽可能靠近电容器，远小于λ/4。实际应用中，这个距离最好控制在λ/40-λ/50之间，这是经验数据。

例如0.001uF的陶瓷电容，如果安装在电路板上后的总寄生电感为1.6nH，则安装后的谐振频率为125.8MHz，谐振周期为7.95ps。假设信号以 166ps/inch 的速度全线传播，则波长为 47.9 英寸。电容去耦半径为47.9/50=0.958英寸，约等于2.4厘米。

本例中的电容只能补偿其周围2.4cm以内的电源噪声，即其去耦半径为2.4cm。不同的电容器具有不同的谐振频率和不同的去耦半径。对于大电容来说，由于它们的谐振频率很低，相应的波长很长，所以去耦半径很大，这也是为什么我们不太注重大电容在电路板上的放置。对于小电容，由于去耦半径较小，应尽可能靠近需要去耦的芯片放置。这是大多数材料中反复强调的内容。小电容应尽可能靠近芯片放置。

综上，选择去耦电容时要考虑的因素包括电容的ESR、ESL值和谐振频率。布局时，根据IC电源引脚数量和周围布局空间确定去耦电容的数量。耦合半径决定了具体的布置位置。

如何计算去耦电容值？

去耦的最初目的是无论IC对电流波动的规定和要求如何，都将电压限制维持在规定的允许误差范围内。

公式：C⊿U=I⊿t

由此，可以计算出IC所需的去耦电容的电容C。

⊿U 是实际电源总线电压的允许降低量（以 V 为单位）。

I 是所需的最大电流，单位为 A（安培）；

⊿t是维持所需的时间。

去耦电容电容计算方法：建议使用远大于1/m倍等效开路电容的电容值。

这里 m 是 IC 电源引脚上允许的电源总线电压变化的最大百分比。一般IC的datasheet都会给出具体的参数值。

等效开路电容定义为C=P/(fU^2)

式中：P——IC消耗的总瓦数；U——IC的最大直流供电电压；f——IC的时钟频率。

一旦确定了等效开关电容，将其乘以远大于 1/m 的值即可找到 IC 所需的总去耦电容。然后将结果除以连接到同一电源总线的电源引脚总数，最后找到连接到电源总线的所有电源引脚附近安装的电容器的值。

文章素材来源：www.icdhs.com/news/460