電容退耦原理采用電容退耦是解決電源噪聲問題的主要方法。這種方法對提高瞬態電流的響應速度，降低電源分配系統的阻抗都非常有效。對于電容退耦，很多資料中都有涉及，但是闡述的角度不同。有些是從局部電荷存儲（即儲能）的角度來說明，有些是從電源分配系統的阻抗的角度來說明，還有些資料的說明更為混亂，一會提儲能，一會提阻抗，因此很多人在看資料的時候感到有些迷惑。其實，這兩種提法，本質上是相同的，只不過看待問題的視角不同而已。為了讓大家有個清楚的認識，本文分別介紹一下這兩種解釋。從儲能的角度來說明電容退耦原理。在制作電路板時，通常會在負載芯片周圍放置很多電容，這些電容就起到電源退耦作用。其原理可用圖1 說明。

當負載電流不變時，其電流由穩壓電源部分提供，即圖中的I0，方向如圖所示。此時電容兩端電壓與負載兩端電壓一致，電流Ic 為0，電容兩端存儲相當數量的電荷，其電荷數量和電容量有關。當負載瞬態電流發生變化時，由于負載芯片內部晶體管電平轉換速度極快，必須在極短的時間內為負載芯片提供足夠的電流。但是穩壓電源無法很快響應負載電流的變化，因此，電流I0 不會馬上滿足負載瞬態電流要求，因此負載芯片電壓會降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來說電壓變化必然產生電流，此時電容對負載放電，電流Ic 不再為0，為負載芯片提供電流。根據電容等式：

只要電容量C 足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿足負載瞬態電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內。這里，相當于電容預先存儲了一部分電能，在負載需要的時候釋放出來，即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充，因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化，此時電容擔負的是局部電源的角色。從儲能的角度來理解電源退耦，非常直觀易懂，但是對電路設計幫助不大。從阻抗的角度理解電容退耦，能讓我們設計電路時有章可循。實際上，在決定電源分配系統的去耦電容量的時候，用的就是阻抗的概念。從阻抗的角度來理解退耦原理。將圖1 中的負載芯片拿掉，如圖2 所示。從AB 兩點向左看過去，穩壓電源以及電容退耦系統一起，可以看成一個復合的電源系統。這個電源系統的特點是：不論AB 兩點間負載瞬態電流如何變化，都能保證 AB 兩點間的電壓保持穩定，即 AB 兩點間電壓變化很小。

我們可以用一個等效電源模型表示上面這個復合的電源系統，如圖3

對于這個電路可寫出如下等式：

我們的最終設計目標是，不論AB 兩點間負載瞬態電流如何變化，都要保持AB 兩點間電壓變化范圍很小，根據公式2，這個要求等效于電源系統的阻抗 Z 要足夠低。在圖2 中，我們是通過去耦電容來達到這一要求的，因此從等效的角度出發，可以說去耦電容降低了電源系統的阻抗。另一方面，從電路原理的角度來說，可得到同樣結論。電容對于交流信號呈現低阻抗特性，因此加入電容，實際上也確實降低了電源系統的交流阻抗。從阻抗的角度理解電容退耦，可以給我們設計電源分配系統帶來極大的方便。實際上，電源分配系統設計的最根本的原則就是使阻抗最小。最有效的設計方法就是在這個原則指導下產生的。

正確使用電容進行電源退耦，必須了解實際電容的頻率特性。理想電容器在實際中是不存在的，這就是為什么經常聽到“電容不僅僅是電容”的原因。實際的電容器總會存在一些寄生參數，這些寄生參數在低頻時表現不明顯，但是高頻情況下，其重要性可能會超過容值本身。圖4 是實際電容器的SPICE 模型，圖中，ESR 代表等效串聯電阻，ESL 代表等效串聯電感或寄生電感，C 為理想電容。

等效串聯電感（寄生電感）無法消除，只要存在引線，就會有寄生電感。這從磁場能量變化的角度可以很容易理解，電流發生變化時，磁場能量發生變化，但是不可能發生能量躍變，表現出電感特性。寄生電感會延緩電容電流的變化，電感越大，電容充放電阻抗就越大，反應時間就越長。等效串聯電阻也不可消除的，很簡單，因為制作電容的材料不是超導體。討論實際電容特性之前，首先介紹諧振的概念。對于圖4 的電容模型，其復阻抗為：

當頻率很低時，2πFELS遠小于2πFC/1，整個電容器表現為電容性，當頻率很高時，2πFELS大于2πFC/1，電容器此時表現為電感性，因此高頻時電容不再是電容”，而呈現為電感。

當以下公式滿足時：

此時容性阻抗矢量與感性阻抗之差為0，電容的總阻抗最小，表現為純電阻特性。該頻率點就是電容的自諧振頻率。自諧振頻率點是區分電容是容性還是感性的分界點，高于諧振頻率時，“電容不再是電容”，因此退耦作用將下降。因此，實際電容器都有一定的工作頻率范圍，只有在其工作頻率范圍內，電容才具有很好的退耦作用，使用電容進行電源退耦時要特別關注這一點。寄生電感（等效串聯電感）是電容器在高于自諧振頻率點之后退耦功能被消弱的根本原因。圖5 顯示了一個實際的0805 封裝0.1uF 陶瓷電容，其阻抗隨頻率變化的曲線。

電容的等效串聯電感和生產工藝和封裝尺寸有關，同一個廠家的同種封裝尺寸的電容，其等效串聯電感基本相同。通常小封裝的電容等效串聯電感更低，寬體封裝的電容比窄體封裝的電容有更低的等效串聯電感。既然電容可以看成RLC 串聯電路，因此也會存在品質因數，即Q 值，這也是在使用電容時的一個重要參數。電路在諧振時容抗等于感抗，所以電容和電感上兩端的電壓有效必然相等，電容上的電壓有效值UC=I*1/ωC=U/ωCR=QU，品質因數Q=1/ωCR，這里是電路的總電流。電感上的電壓有效值UL=ωLI=ωL*U/R=QU，品質因數 Q=ωL/R。因為：UC=UL 所以Q=1/ωCR=ωL/R。電容上的電壓與外加信號電壓U 之比UC/U=（I*1/ωC）/RI=1/ωCR=Q。電感上的電壓與外加信號電壓U 之比UL/U=ωLI/RI=ωL/R=Q。從上面分析可見，電路的品質因數越高，電感或電容上的電壓比外加電壓越高。

Q 值影響電路的頻率選擇性。當電路處于諧振頻率時，有最大的電流，偏離諧振頻率時總電流減小。我們用I/I0 表示通過電容的電流與諧振電流的比值，即相對變化率。表示頻率偏離諧振頻率程度。圖6 顯示了I/I0 與ω/ω0關系曲線。這里有三條曲線，對應三個不同的Q 值，其中有Q1>Q2>Q3。從圖中可看出當外加信號頻率 ω 偏離電路的諧振頻率ω0時，I/I0 均小于1。Q 值越高在一定的頻偏下電流下降得越快，其諧振曲線越尖銳。也就是說電路的選擇性是由電路的品質因素Q 所決定的，Q 值越高選擇性越好。在電路板上會放置一些大的電容，通常是坦電容或電解電容。這類電容有很低的ESL，但是ESR 很高，因此Q 值很低，具有很寬的有效頻率范圍，非常適合板級電源濾波。

當電容安裝到電路板上后，還會引入額外的寄生參數，從而引起諧振頻率的偏移。充分理解電容的自諧振頻率和安裝諧振頻率非常重要，在計算系統參數時，實際使用的是安裝諧振頻率，而不是自諧振頻率，因為我們關注的是電容安裝到電路板上之后的表現。電容在電路板上的安裝通常包括一小段從焊盤拉出的引出線，兩個或更多的過孔。我們知道，不論引線還是過孔都存在寄生電感。寄生電感是我們主要關注的重要參數，因為它對電容的特性影響最大。電容安裝后，可以對其周圍一小片區域有效去耦，這涉及到去耦半徑問題，本文后面還要詳細講述。現在我們考察這樣一種情況，電容要對距離它2 厘米處的一點去耦，這時寄生電感包括哪幾部分。首先，電容自身存在寄生電感。從電容到達需要去耦區域的路徑上包括焊盤、一小段引出線、過孔、2 厘米長的電源及地平面，這幾個部分都存在寄生電感。相比較而言，過孔的寄生電感較大。可以用公式近似計算一個過孔的寄生電感有多大。公式為：

其中：L 是過孔的寄生電感，單位是nH。h 為過孔的長度，和板厚有關，單位是英寸。d為過孔的直徑，單位是英寸。下面就計算一個常見的過孔的寄生電感，看看有多大，以便有一個感性認識。設過孔的長度為63mil（對應電路板的厚度 1.6 毫米，這一厚度的電路板很常見），過孔直徑 8mil，根據上面公式得：

這一寄生電感比很多小封裝電容自身的寄生電感要大，必須考慮它的影響。過孔的直徑越大，寄生電感越小。過孔長度越長，電感越大。下面我們就以一個0805 封裝0.01uF 電容為例，計算安裝前后諧振頻率的變化。參數如下：容值：C=0.01uF。電容自身等效串聯電感：ESL=0.6 nH。安裝后增加的寄生電感：Lmount=1.5nH。電容的自諧振頻率：

安裝后的總寄生電感：0.6+1.5=2.1nH。注意，實際上安裝一個電容至少要兩個過孔，寄生電感是串聯的，如果只用兩個過孔，則過孔引入的寄生電感就有3nH。但是在電容的每一端都并聯幾個過孔，可以有效減小總的寄生電感量，這和安裝方法有關。安裝后的諧振頻率為：

可見，安裝后電容的諧振頻率發生了很大的偏移，使得小電容的高頻去耦特性被消弱。在進行電路參數設計時，應以這個安裝后的諧振頻率計算，因為這才是電容在電路板上的實際表現。安裝電感對電容的去耦特性產生很大影響，應盡量減小。實際上，如何最大程度的減小安裝后的寄生電感，是一個非常重要的問題從電源系統的角度進行去耦設計先插一句題外話，很多人在看資料時會有這樣的困惑，有的資料上說要對每個電源引腳加去耦電容，而另一些資料并不是按照每個電源引腳都加去偶電容來設計的，只是說在芯片周圍放置多少電容，然后怎么放置，怎么打孔等等。那么到底哪種說法及做法正確呢？我在剛接觸電路設計的時候也有這樣的困惑。其實，兩種方法都是正確的，只不過處理問題的角度不同。

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