“如何穩(wěn)定數(shù)字電路的供電電壓？為什么說(shuō)大部分網(wǎng)上的建議都不太靠譜？本文將理論結(jié)合實(shí)際，介紹去耦電容的使用方法。”

二十年前，要制造一臺(tái)便攜式音樂(lè)播放器，你必須把幾百個(gè)電子元件拼湊在一起。如今，只需一個(gè)芯片和十幾個(gè)無(wú)源元件就能實(shí)現(xiàn)同樣的功能。甚至還能免費(fèi)獲得 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能。 去耦電容是少數(shù)幾種在集成化程度不斷提高的情況下依然存在并發(fā)揮重要作用的分立元件之一。這不僅僅是因?yàn)檫@種電容很難在集成電路的芯片上制造；在高速數(shù)據(jù)傳輸和低供電電壓的世界里，去耦電容在保持電路正常運(yùn)行方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

在業(yè)余愛(ài)好者中，對(duì)去耦電容的理解仍然是一知半解。有些人完全跳過(guò)了去耦電容，但設(shè)備仍然能夠工作，他們還能和你分享他們的經(jīng)驗(yàn)；有些人則遵循著來(lái)歷不明的古老傳說(shuō)，結(jié)果做出了一些糟糕的設(shè)計(jì)：

在本文中，我希望對(duì)去耦電容器在數(shù)字電路中的實(shí)際作用作一些說(shuō)明，并且提供關(guān)于如何將去耦電容融入到設(shè)計(jì)中而不過(guò)度使用的建議。

去耦電容到底有什么作用？

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)典型的 CMOS 集成電路需要的功率非常小。芯片的能耗主要與狀態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)，即在 “0” 和 “1” 之間切換。這是因?yàn)闋顟B(tài)轉(zhuǎn)換需要在芯片內(nèi)部的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極之間來(lái)回移動(dòng)電子，以完成充電或放電。 有些內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需要相對(duì)較小的電流，但其他一些則需要更多的電流，比如需要驅(qū)動(dòng)輸出的較大晶體管的動(dòng)作。為了以兆赫茲的速度切換晶體管（快速上升和下降時(shí)間），芯片必須在短時(shí)間內(nèi)提供相當(dāng)大的電流。在典型的微控制器中，轉(zhuǎn)換時(shí)間通常不超過(guò)幾納秒，但可能需要數(shù)百毫安的電流。 這就帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在快速變化的大電流下，PCB 走線會(huì)表現(xiàn)出電阻損耗和不可忽視的感抗。電源不完美的需求響應(yīng)特性也會(huì)造成影響。最終，即使是看似微不足道的數(shù)字切換也可能在整個(gè)電路中引起顯著的電壓波動(dòng)和電氣噪聲。

下面的示波器圖顯示了常用的 ATmega MCU 反復(fù)切換幾個(gè)未連接的輸出引腳所產(chǎn)生的影響。MCU 時(shí)鐘速度為 8 MHz；方波上升時(shí)間約為 5 ns：

一個(gè)簡(jiǎn)單 MCU 應(yīng)用觀察到的電源電壓噪聲 在 MCU 電源引腳上采樣到的噪聲峰峰值振幅接近 2 伏，約為標(biāo)稱(chēng)電源電壓的 40%。這本身就足以破壞 MCU 的穩(wěn)定性。如此大的噪聲幅度本身就有可能使 MCU 變得不穩(wěn)定，因?yàn)樾酒辉儆信c其他電路共享的穩(wěn)定 Vdd（電源電壓）和 GND（地）參考電平。這使得將其與其他設(shè)備進(jìn)行接口連接變得很困難。雖然這種情況不是一定會(huì)出現(xiàn)故障，但很可能會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的問(wèn)題，且很難 debug。 這就引出了去耦電容器的作用：去耦電容被放置在電源與地之間，并且要盡可能地靠近產(chǎn)生噪聲的芯片引腳。其主要目的是穩(wěn)定電源電壓，快速響應(yīng)瞬態(tài)電流。

為此，電容必須具有較低的 ESR 等效串聯(lián)電阻（即能夠快速充放電）。因此，應(yīng)當(dāng)使用多層陶瓷電容 (MLCC) 而不是相對(duì)較慢的電解電容。但最重要的是，為了有效工作，電容必須盡可能靠近芯片的電源引腳。下面是一款噪聲較小的 8 位 MCU 實(shí)測(cè)結(jié)果：

電容距離對(duì) AVR Dx MCU 開(kāi)關(guān)噪聲的影響

理論上可以從RC（電阻-電容）或LC（電感-電容）低通濾波器的角度來(lái)分析去耦電容的設(shè)置，考慮其與上游和下游阻抗共同形成的濾波效果。然而，這種分析方式存在困難，因?yàn)閷?shí)際電路中上游和下游的阻抗參數(shù)很難準(zhǔn)確估算，所以很難精確地按照這種理論分析來(lái)設(shè)計(jì)去耦電容的配置。 在實(shí)際應(yīng)用中，更多是依據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)進(jìn)行去耦電容的選擇和布置。

基本去耦電容配置：對(duì)于常見(jiàn)的 PIC、AVR 或中檔的 ARM MCU，通常每個(gè)供電域放置一個(gè) 100 nF 到 1 μF 的 MLCC，且電容的工作電壓要低于其最大額定電壓，這樣一般就足以應(yīng)對(duì)這些 MCU 內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電流了。

根據(jù)負(fù)載情況增加“大容量”電容：如果 MCU 需要驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，那么僅靠上述的基本去耦電容可能不夠，還需要增加額外的“大容量”電容。具體實(shí)現(xiàn)方式有以下幾種：

使用單個(gè)較大容量的MLCC：比如選用一個(gè)10 μF 的 MLCC，它能夠在較大負(fù)載情況下提供更多的電荷儲(chǔ)備，以滿足 MCU 在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)瞬間的電流需求，進(jìn)一步穩(wěn)定供電。

多個(gè)較小容量 MLCC 并聯(lián)：將幾個(gè)小容量（如100 nF左右）的 MLCC 并聯(lián)在一起。這樣做的好處是可以增加總的電容容量，同時(shí)也能在一定程度上降低等效串聯(lián)電阻（ESR），提高電容的充放電速度和濾波效果，更好地應(yīng)對(duì)快速變化的電流需求。

小容量 MLCC 與大容量鋁聚合物電容組合：采用一個(gè)小容量（如100 nF）快速響應(yīng)的 MLCC，再搭配一個(gè)較大容量（10 - 100μF）但響應(yīng)速度相對(duì)較慢的鋁聚合物電容。在這種配置中，小容量的MLCC可以快速響應(yīng)高頻噪聲和瞬態(tài)電流變化，而大容量的鋁聚合物電容則主要負(fù)責(zé)提供較大的電荷儲(chǔ)備，用于應(yīng)對(duì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流需求。而且在這種情況下，大容量的鋁聚合物電容可以放置在離 MCU 稍遠(yuǎn)一些的位置，因?yàn)樾∪萘康腗LCC已經(jīng)能夠在靠近微控制器的地方快速提供所需的電流，從而保證了整個(gè)電路的穩(wěn)定供電。

一個(gè)電容就夠了嗎？

一個(gè)精心選擇的去耦電容可以大大降低開(kāi)關(guān)噪聲，但該元件的容量有限，且阻抗不為零。電容的阻抗不僅在直流方向增加，而且在非常高頻的方向也會(huì)增加；這是因?yàn)槠骷?nèi)部的導(dǎo)電表面積相當(dāng)大，形成了一個(gè)小電感，限制了電容的響應(yīng)速度。最終結(jié)果是，典型的 MLCC 無(wú)法在超過(guò) 100 MHz 左右的（正弦波）頻率下提供大電流。 換句話說(shuō)，一些衰減的高頻噪聲將不可避免地通過(guò)。雖然增加額外的電容可以提供一些適度的改善，但這種策略的收益會(huì)越來(lái)越低。 在敏感電路中，通過(guò)在電源和去耦電容之前串聯(lián)一個(gè)小磁珠，可以進(jìn)一步緩解高頻噪聲的問(wèn)題。電感為直流信號(hào)提供了一個(gè)低阻抗路徑（幾毫歐），同時(shí)比接地的并聯(lián)電容更好地抑制兆赫范圍內(nèi)的交流信號(hào)：通常在 1 GHz 或更高頻率下表現(xiàn)良好。但此時(shí)寄生效應(yīng)將再次產(chǎn)生影響。

以下示例來(lái)自 SAM S70 MCU 的規(guī)格書(shū)，建議在 USB 收發(fā)器和鎖相環(huán) (PLL) 時(shí)鐘倍增器的電源線上使用兩個(gè)阻抗為 470 Ω、頻率為 100 MHz 的磁珠：

MCU 供電線路上的噪聲過(guò)濾磁珠

結(jié)合去耦電容，效果非常明顯：

鐵氧磁珠對(duì)噪音的抑制作用

盡管如此，必須強(qiáng)調(diào)的是，鐵氧體磁珠（ferrite bead）并不能消除噪聲，它只是將噪聲控制在其產(chǎn)生的一側(cè)。鐵氧體磁珠可以保護(hù)模擬電路免受數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)的干擾，也可以保護(hù) MCU 免受來(lái)自其他地方的噪聲干擾。在任何情況下，鐵氧體磁珠之后都必須有一個(gè)去耦電容，以便為下游電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源儲(chǔ)備。同時(shí)，在電源側(cè)（上游）放置一個(gè)電容也是明智的，這樣可以進(jìn)一步提高電路的穩(wěn)定性。

在 MCU 輸出線路上放置小型鐵氧體磁珠，可以減緩快速上升的方波信號(hào)的邊緣，從而減少不必要的電流和意外的射頻輻射。這對(duì)于運(yùn)行速度較慢的總線（如 I2C 或 SPI）尤其有用。在某些情況下，如果手頭沒(méi)有鐵氧體磁珠，也可以使用小電阻來(lái)代替，但它們的性能通常不如鐵氧體磁珠。

除此以外，大多數(shù)其他噪聲抑制技術(shù)都與 PCB 設(shè)計(jì)相關(guān)。例如，讓敏感的模擬電路與數(shù)字信號(hào)保持一定距離是一種良好的 PCB 布局策略；在高速數(shù)據(jù)線下方緊貼一個(gè)不間斷的接地平面也是一種很好的策略，這樣可以避免形成大電流環(huán)路，將寬帶噪聲輻射到開(kāi)放空間。

如果制造商說(shuō)...

某些數(shù)字芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)列出建議的去耦方法。這些建議不應(yīng)被忽視，但也不能完全奉為圭臬。制造商在給出建議時(shí)，會(huì)試圖涵蓋各種極端情況，包括：

電路在最低允許工作電壓下運(yùn)行。

設(shè)備以最大支持時(shí)鐘速度運(yùn)行。

芯片上外設(shè)達(dá)到最大利用率。

客戶使用最差的去耦電容（例如“Y5V”型號(hào)，在高溫或接近電容最大電壓下工作時(shí)，會(huì)損失約80%的額定電容）。

此外，制造商還對(duì)客戶的設(shè)計(jì)偏好做出了假設(shè)。典型的 100 nF MLCC 單價(jià)約為 0.005 美元；相比之下，10 μF 鋁聚合物電容器的單價(jià)約為 0.25 美元。做機(jī)器人組裝的客戶可能會(huì)傾向于使用多個(gè)電容，而不是一個(gè)電容搭配一個(gè)聚合物電容。手工焊接的愛(ài)好者可能不會(huì)這樣選擇。 與其盲目遵循規(guī)范（這種做法仍不能保證成功），不如從以下三個(gè)方面驗(yàn)證設(shè)計(jì)：

檢查電路在正常工作條件下的電源噪聲：如果電源噪聲的峰值超過(guò)了數(shù)字元件的最大允許電源紋波、最小電源電壓或最大電源電壓，或者開(kāi)關(guān)噪聲傳播到了敏感的模擬電路，那么你應(yīng)該改進(jìn)設(shè)計(jì)。

確認(rèn)高速輸出總線信號(hào)是否正確：如果與項(xiàng)目相關(guān)，要確認(rèn)任何高速輸出總線（例如USB）上的信號(hào)是否正確，特別是在預(yù)期的上升和下降時(shí)間、噪聲和任何周期性故障方面。示波器的“眼圖”可以幫助進(jìn)行這項(xiàng)檢查。

降低 IC 電源電壓進(jìn)行測(cè)試：作為最終測(cè)試，將IC的電源電壓降低10-20%。如果數(shù)字電路仍能正常工作，那么你可能在應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲方面有很好的安全裕度。

"1 nF / 10 nF / 100 nF" 規(guī)則是什么？

有這么一種古老的說(shuō)法：為了達(dá)到最佳的去耦效果，您必須將至少三個(gè)電容組合在一起，它們的容值相差一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)（即相差10倍或100倍）。雖然電容值的選擇因人而異，但底線是，如果不注意這個(gè)警告，等待你的將是可怕的后果

這種建議在早期有一定合理性，因?yàn)楫?dāng)時(shí)不同容量的電容通常是用不同的技術(shù)制造的。最小容量的電容是陶瓷電容，它具有低阻抗，但容量較小，不足以平滑持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流波動(dòng)；中間容量的電容可能是鉭電容，性能較為平衡，但在任何方面都不突出；最大的電容是鋁電解電容，高頻響應(yīng)較差，但能夠存儲(chǔ)較多的電能。

如今，低成本的多層陶瓷電容（MLCC）在很寬的頻率范圍內(nèi)都能提供高容量和低阻抗，因此對(duì)于大多數(shù)“業(yè)余”速度的電路來(lái)說(shuō)，使用這種組合電容的方法通常沒(méi)有什么額外的好處。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)功能不同的數(shù)字電壓供電線上使用一個(gè)100nF或1μF的MLCC就足夠了。

誠(chéng)然，在非常高頻的情況下，比如幾百兆赫茲，電容的殘余電感會(huì)成為限制因素。在這種情況下，組合使用多個(gè)不同類(lèi)型的電容可能會(huì)在一定程度上提供更好的寬帶噪聲抑制效果，但這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)一些不期望的反諧振峰（使系統(tǒng)在處理某些特定頻率時(shí)變得無(wú)效）。相比之下，使用專(zhuān)門(mén)的低電感（“低 ESL”）MLCC是一種更簡(jiǎn)單且副作用更少的解決方案。

PCB Layout 的影響

如前文所述，去耦電容應(yīng)盡可能靠近集成電路，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的走線會(huì)因電阻和電感而阻礙電容發(fā)揮作用。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量將距離控制在1-2厘米以內(nèi)。

另一方面，最好不要迷信互聯(lián)網(wǎng)上的奇談怪論。有一種說(shuō)法是，左邊的布局比右邊的好得多。

將電容的位置擺放。

據(jù)說(shuō)，在第一種布局中，電壓尖峰首先到達(dá)電容，使其在噪聲 “溢出” 到電源線之前起作用。而在第二種布局中，電容應(yīng)該是到達(dá)得太晚了。不要誤解我的意思：在 PCB 設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要考慮信號(hào)的傳播速度。但在如此微小的距離內(nèi)，這并不重要，除非您處理的是幾個(gè) GHz 的信號(hào)，但在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)的 MLCC 并不能提供什么幫助。

本文來(lái)源于以下鏈接，并做了修訂和翻譯： https://lcamtuf.substack.com/p/the-basics-of-decoupling-capacitors

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