电容模型本质

摘要：搞电子的不知道小伙伴有没有被问到过，芯片附近放置的电容是多少？当你回答说是0.1uF，当你心里暗自庆幸还好自己知道的时候，面试官突然又问道为什么选取0.1uF？想必此时不少小伙伴都会想到，我看别人都是这么画的，官方推荐也是这么干的，如果你是这么回答，那面试官是不会满意的。

怎么回答才算是牛X呢？电路设计的每一个器件可以说是都不是没有根据的随便选型，只是可能到你手里之后，已经经过多方验证，是成型的原理图，参数不需要修改，所以关注的也少。回归正题，接下来分析分析，上面提到的，为什么是0.1uF电容，而不是1uF、10uF......

一、电容模型本质

先来看看电容，电容的作用简单的说就是存储电荷。我们都知道在电源中要加电容滤波，在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。等等，怎么我看到有些板子芯片的电源脚旁边的电容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么讲究吗。要搞懂这个道道就要了解电容的实际特性。理想的电容它只是一个电荷的存储器，即C。而实际制造出来的电容却不是那么简单，分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如下图所示。

果果小师弟original

图中ESR是电容的串联等效电阻，ESL是电容的串联等效电感，C才是真正的理想电容。ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的，没法消除。那这两个东西对电路有什么影响。ESR影响电源的纹波，ESL影响电容的滤波频率特性。

电容的容抗

电感的感抗

实际电容的复阻抗为

可见当频率很低的时候是电容起作用， 而频率高到一定的时候电感的作用就不可忽视了，再高的时候电感就起主导作用了。电容就失去滤波的作用了。所以记住，高频的时候电容就不是单纯的电容了。

电容阻抗-频率曲线图

二、旁路和去耦

旁路电容(Bypass Capacitor)和去耦电容(Decoupling Capacitor)这两个概念在电路中是常见的，但是真正理解起来并不容易。要理解这两个词汇，还得回到英文语境中去。

1、Bypass

Bypass在英语中有抄小路、旁路的意思，在电路中也是这个意思，如下图所示。

果果小师弟original

couple在英语中是一对的意思，引申为配对、耦合的意思。如果系统A中的信号引起了系统B中的信号，那么就说A与B系统出现了耦合现象(Coupling)，而Decoupling就是减弱这种耦合的意思。

2、Decoupling

Couple 一对，一双。动词引申为配对，连接的意思。如果系统A中出现的事物(信号)引起了系统B中一事物(信号)的出现，或者反过来，那么我们就说系统A与系统B出现了耦合(Coupling)。Decoupling退耦即减弱这种耦合。

果果小师弟original

三、电路中的旁路和去耦

如下图中，直流电源Power给芯片IC供电，在电路中并入了两个电容。

果果小师弟original

1、旁路

如果Power受到了干扰，一般是频率比较高的干扰信号，可能使IC不能正常工作。

在靠近Power处并联一个电容C1，因为电容对直流开路，对交流呈低阻态。

频率较高的干扰信号通过C1回流到地，本来会经过IC的干扰信号通过电容抄近路流到了GND。这里的C1就是旁路电容的作用。

2、去耦

由于集成电路的工作频率一般比较高，IC启动瞬间或者切换工作频率时，会在供电导线上产生较大的电流波动，这种干扰信号直接反馈到Power会使其产生波动。

在靠近IC的VCC供电端口并联一个电容C2，因为电容有储能作用，可以给IC提供瞬时电流，减弱IC电流波动干扰对Power的影响。这里的C2起到了去耦电容的作用。

四、为什么要用2个电容

回到本文最开始提到的问题，为什么要用0.1uF和0.01uF的两个电容？

电容阻抗和容抗计算公式分别如下：

容抗与频率和电容值成反比，电容越大、频率越高则容抗越小，对交流电的阻碍作用就越小。可以简单理解为电容越大，滤波效果越好。那么有了0.1uF的电容旁路，再加一个0.01uF的电容不是浪费吗？

实际上，对一个特定电容，当信号频率低于其自谐振频率时呈容性，当信号频率高于其自谐振频率时呈感性。当用0.1uF和0.01uF的两个电容并联时，相当于拓宽了滤波频率范围。

两种方式组合滤波

实际电路中我们需要去耦的频率范围会比较宽，因此一个电容搞不定，那怎么办呢？我们经常有两种方法来解决，一种是使用一个大电容和一个小电容并联，还有一种是使用多个相同的电容并联。

以下是正点原子开发板上面的一些模块芯片的电路，可供参考。

 

CH340

STM32

MP2359

MPU6050

 

五、电容选型建议

 

频率范围/HZ	电容取值(智果芯)
DC-100K	10uF以上的钽电容或铝电解
100K-10M	100nF(0.1uF)陶瓷电容
10M-100M	10nF(0.01uF)陶瓷电容解
100M以上	1nF(0.001uF) 陶瓷电容和PCB的地平面与电源平面的电容解

 

所以，以后不要见到什么都放0.1uF的电容，有些高速系统中这些0.1uF的电容根本就起不了作用。

审核编辑 ：李倩