什么是去耦电容器？去耦电容器如何工作？

为什么去耦电容器很重要

系统噪声是当今所有数字设备普遍面临的问题。不断追求更快的接口和更低的功耗导致设备越来越容易受到来自电源和信号线的干扰。

幸运的是，通过使用去耦技术，可以将局部电路与系统中其他电路隔离开来，从而减轻噪声干扰。

什么是去耦电容器?

去耦电容器有助于隔离或去耦局部电路，使其不受共享电源、地线和其他导线上的噪声和电源异常的影响。它们通常被应用于电源，以提供瞬态电流的局部源，并将局部电路与设计的其他区域中的电源噪声隔离开来。

这种局部接入是必要的，因为所有电源分配系统都具有实际的阻抗和电感，阻止了对负载的真正瞬时电流供应。当发生大型开关负载时，电流吸收可以导致电源电压下降和振铃，这可能违反所需的电路电压条件或导致虚假信号。

旁路电容器与去耦电容器

在讨论去耦电容器时，了解去耦电容器与旁路和耦合电容器之间的区别是很重要的。

旁路电容器用于为高阻抗路径上的高频噪声提供低阻抗的分流通道，在许多情况下，它们也被称为去耦电容器，因为它们有助于在噪声有机会传播到电路的其他部分之前最小化高频噪声，这可能会导致电路故障或设计生成的电磁干扰(EMI)问题。

另一方面，耦合电容器提供直流隔离，同时创建了一个用于音频、视频、射频和高速数字数据的有意路径。在高速接口上经常使用耦合电容器，以确保连接设备上的任何直流电位差不会表现为设备之间的地面电流。

去耦电容器如何工作?

去耦电容器用于对抗来自许多不同源的干扰。同步开关逻辑和数据总线可能会导致大量瞬时电流流动，从局部电源传递系统(PDS)中吸收大量电荷。当发生这些瞬时负载时，PDS中的电感会阻止设计中的电源瞬时提供额外的电流给负载，这可能导致局部电源电压下降或振铃。

去耦电容器有助于提供局部瞬时电荷源，防止电源电压下降，以及用于阻尼振铃的旁路路径。PDS上的噪声也会在局部阻尼，有助于局部电路不受电源平面上的纹波干扰，否则可能会干扰电路。当其他部分经历瞬时电流吸收时，此效果还会延伸到设计的其他部分，它们的去耦电容器进一步减少了该电路部分的局部去耦。最后，在去耦角色中使用的旁路电容器有助于分流高频回流路径，防止它们在电路区域之间流动，可能会导致电路故障或系统级EMI问题。了解更多有关旁路电容和其重要性的信息。

去耦电容器选择指南

虽然任何去耦电容器都可以说比没有好，但在实施去耦方案时需要考虑一些指导原则。因为电容器需要迅速提供电流，所以选择具有低等效串联电阻(ESR)的电容器是最重要的方面，它将特性阻抗与与电感相关的任何阻抗相加。通常在去耦应用中使用陶瓷电容器，因为它们具有宽温度容忍度、能够承受广泛的电压范围、低ESR、稳定性和可靠性。然而，电容器的构造与包装尺寸一样重要，因为电容器化学性质的固有优势可能会被较大封装尺寸引入的电感所抵消。

通常情况下，最小的可用封装，否则符合设计参数的封装是最佳选择，尽管可能有进一步减少电感的特殊旁路和去耦电容器封装可用。较小的封装还有一个好处，即减小了电容器电路的回路尺寸，从而进一步减小了每个去耦电容器的电感。

增强电源和地面之间的电容器

优化去耦电容器功能的其他方法包括确保电源和地面平面是连续且相邻的，确保电容器尽可能靠近IC的电源和地面引脚，尽量使电路路径到地面和电源平面尽可能短，并确保通过电容器的引脚或其旁边进行布线。相邻的电源和地面平面应该对称地放置在设计中，并应尽量减少平面和去耦电容器之间的层数。如果可能的话，电容器还应分布在它们所去耦的区域。当不可能进行分布并且使用电容器组时，最好交替它们的方向以分散它们的连接点，防止来自多个相邻的引脚通过平面引脚的有效分割。要使用的电容器数量主要取决于局部电路区域或IC中存在的电源和地面引脚数量，以及存在的I/O信号数量。具有模拟和数字部分的设计可能要求对电路或IC的各个段进行去耦和旁路处理。

今天的数字设备在面对开关负载和其他系统噪声源时可能面临保持稳定和安静电源供应的重大挑战。通过在集成的去耦方案中正确使用大容量电源电容器和旁路电容器，设计师可以确保在系统内部电源噪声和其他噪声源的情况下适当减轻问题，并使其产品按设计工作。

去耦电容器是一种用于电子设备中的关键元件，用于减轻系统噪声和电源干扰。它们通过提供局部电流源和隔离局部电路，将局部电路与其他部分分离开来，从而确保电路正常运行。去耦电容器与旁路电容器和耦合电容器有所不同，其主要任务是消除高频噪声和稳定电源电压。

去耦电容器的工作原理是提供瞬时电荷源，以抵消来自大型负载的瞬时电流吸收，防止电源电压下降和振铃。它们还有助于阻止噪声从电源传播到电路的其他部分，确保电路的稳定性。去耦电容器通常采用陶瓷材料，具有低等效串联电阻(ESR)，以便快速提供电流。

在设计中，去耦电容器的优化包括选择低ESR电容器、确保电源和地面平面连续且相邻、尽量减小电路路径的长度、并确保电容器封装尺寸适当。通过正确使用去耦电容器，设计师可以确保数字设备在面对噪声和电源干扰时能够保持稳定运行，从而实现设计的预期性能。

审核编辑：汤梓红