眾所周知，在電路設計中，確保芯片的可靠供電是至關重要的。在芯片的供電管腳處通常會引入去耦電容。按照經驗豐富的前輩們多年來的建議，常常會推薦選擇0.1uF的電容容量。

然而，在這個領域還存在著一些需要深入探討的問題：

1.為何有必要引入去耦電容？

2.在選擇去耦電容的容值時應該考慮哪些因素？

3.哪種類型的去耦電容更為適用？

為何需要去耦電容？在系統產品設計中，芯片作為核心，必須在復雜的電磁環境下保持穩定可靠的工作。以圖示為例，我們在芯片的供電管腳和接地管腳之間并聯一個去耦電容。通過充分利用電容的儲能特性，這個去耦電容能夠在芯片電源短時波動的情況下，提供相對穩定的電壓，從而確保芯片供電的穩定性。這里需要注意，有時我們會將這個電容稱之為“儲能電容”，與常見的“去耦電容”相比，儲能電容通常具備更大的容量。

當系統受到高頻電磁干擾時，去耦電容的高頻阻抗特性能夠將干擾信號有效旁路，從而減小干擾信號進入芯片的影響，以起到保護芯片的作用。同樣，在芯片內部存在高頻信號時，去耦電容同樣能夠抑制芯片向外部發射干擾信號的效果。

旁路電容？去耦電容？

在電子領域中，我們常常會遇到兩個名詞：旁路電容（bypass capacitor）和去耦電容（decoupling capacitor）。從字面上理解，旁路電容的作用類似于低通濾波，將高頻信號旁路至地。而去耦電容則意味著消除高頻耦合信號。

通常，根據以上理解，我們將模擬芯片（如運算放大器、線性穩壓器等）的電源引腳上的電容稱為旁路電容，其作用是將外部的高頻信號進行旁路處理。而對于一些數字芯片或者那些內部可能會產生高頻信號的元件，我們則將其電源引腳上的電容稱為去耦電容。

然而，實際情況中我們并不必過于拘泥于這些術語的區分。以模擬芯片為例，我們也可以稱其電源引腳上的電容為前端系統的去耦電容，因為它實際上在去除該模擬芯片供電系統中的高頻耦合信號方面發揮作用。

關于去耦電容的容值如何選擇呢？在前文中，我們已經了解了去耦電容的主要作用。那么在選擇去耦電容的容值時需要考慮哪些因素呢？下圖展示了電容的常見等效模型，包括等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL）以及電容值。

基于這些模型，電容的等效阻抗可以表示為Z = R + jwL - 1 / jwC。為了簡潔表達，我們用R代表ESR，L代表ESL。基于這些，下方是絕對值部分的阻抗表達式，從中可以看出在諧振頻率fo處阻抗最小。

由此可以看出，選擇去耦電容的諧振頻率盡量接近想要濾除的高頻干擾信號的頻率，這樣可以達到最好的去耦效果。

理論上，隨著頻率的增加，電容的阻抗應該呈單調下降趨勢。然而，由于等效串聯電阻（ESR）的存在，阻抗曲線會變得平坦。當頻率不斷升高時，電容的等效串聯電感（ESL）導致阻抗開始上升。

電容的底部位置和寬度會隨著其結構、電介質以及等效元件值的不同而變化。因此，我們常常會看到將較大容值的電容與較小容值的電容并聯使用。較小容值的電容通常具有較低的等效串聯電感（ESL），因此在較高頻率下，其阻抗與較高容值的電容類似。這種組合可以在更寬的頻率范圍內拓展并聯電容的總體性能。

另外，通過上述圖示，我們可以看出相同容值的電容將呈現大致相似的阻抗曲線形狀。雖然實際的曲線圖會有所不同，但總體形狀相似。最小阻抗取決于ESR，而高頻區域的阻抗受到ESL的影響（ESL在很大程度上受到封裝樣式的影響）。

接下來，我們將重點關注TDK官網提供的0.1uF、1uF和10nF電容的阻抗特征曲線。從這些曲線中可以明顯觀察到，0.1uF電容對應著20MHz的諧振頻率，1uF電容對應著5MHz的諧振頻率，而10nF電容則對應著60MHz的諧振頻率。

TDK電容（0.1uF）特征曲線

TDK電容（1uF）特征曲線

TDK電容（10nF）特征曲線

在實際的工程應用中，明確需要去耦的高頻信號頻率往往并不容易。然而，我們可以確定一個廣泛的頻率區間，然后致力于選擇去耦電容的諧振頻率，使其處于我們欲削弱高頻信號的范圍之內。

對于絕大多數從事硬件工程的工程師，如運算放大器、LDO、DC-DC、ADC、DAC等模擬器件，無論是芯片內部的高頻信號還是芯片供電管腳的前端系統潛在的高頻信號，其頻率通常集中在10MHz至40MHz之間。在這種情況下，選擇具備20MHz諧振頻率的0.1uF電容，作為去耦電容，相對而言可以實現更好的去耦效果。

當然，上述只是一個大致的頻率范圍，實際情況因系統的多樣性和芯片的差異性而千差萬別。作為模擬工程師，根據具體的應用場景來選擇最為合適的去耦電容是至關重要的。

那么，應該選擇哪種類型的去耦電容呢？

首先，電解電容不被推薦用于去耦應用，因為其具有極性，無法承受超過一伏的反向偏置電壓而不受損害。

多層陶瓷（MLCC）表面貼裝電容以其低電感設計在RF旁路方面能夠提供近乎最佳的性能，因此在10 MHz甚至更高頻率的旁路和濾波應用中變得越發常見。而小型陶瓷芯片電容的工作頻率范圍甚至可達1 GHz。對于這些以及其他高頻應用，我們可以通過選擇自諧振頻率高于目標頻率的電容，來確保其在實際應用中表現出良好的性能。

薄膜型電容則常常采用繞線結構，從而引入了電感，因此并不適用于電源去耦的應用。這類電容在音頻領域更加常見，特別是需要極低電容和電壓系數的場景。