硬件设计基础：旁路电容与耦合电容的作用和区别详解

（1）如何区分去耦电容，旁路电容

例子，直流电源 (Power) 给芯片 (IC) 供电。

a. 如果电源受到了干扰 (可能通过220V市电进入电源系统，一般为频率比较高的信号)，那么干扰信号会通过Power和IC之间的电源线传导到IC，如果干扰过强可能导致IC芯片不能正常工作。现在我们在靠近电源输出的位置加入一个电容C1，因为电容对直流呈开路，对交流呈低阻，频率较高的干扰信号通过C1回流到地。本来会从IC走的干扰信号此时绕过IC直接到地了，所以我们称C1为旁路电容(Bypass Capacitor)，即把IC旁路掉了。

b.现在的集成电路工作频率一般比较高。当IC瞬间启动，或切换工作频率时，会在供电导线上造成较大的电流波动。这种波动沿着导线反向传导到电源后，会造成电源的波动。即IC的波动耦合到了电源。当在贴近IC的电源端口VCC放置一个电容C2后，我们知道电容有储能的作用，可以给IC提供瞬时电流，减弱了IC电流波动向电源的传导。所以我们称C2为去耦电容。

当然我们会发现旁路电容C1同时也有去耦的作用，去耦电容 C2同时也有旁路的作用。所以什么事情都不能绝对化。

关于旁路电容和去耦电容，其实是从作用上来看的。
旁路：可以理解为电源输入时，给交流信号一个低阻抗的通路。来改善电源的性能。
去耦：可以理解为去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的作用。

即：旁路电容是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦电容是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。

关于旁路电容：

对于数字芯片总希望供电电源的电压是恒定的DC值，不要出现任何的波动。但这是很难做到的，原因有两点。第一点是"热噪声"始终存在，任何电源的输出信号都不可能是恒定不变的，常见的情况如下图中深蓝色线条表示的情况。当在电源与GND之间放置了电容之后，电源输出端的情况如图1中粉红色线条所示，可见电容导致的电压波动明显变缓了。

（2）放弃区分去耦电容，旁路电容

旁路电容：①作用就是将系统中的高频噪声旁路到GND，② 充当储能电容，在两极板间电压差很快增大时，给电容充电；电压差减小时，电容放电。

去耦电容：①与旁路电容相似的功能，旁路掉器件输出的高频噪声；② 充当储能电容，在负载所需电流突然增大时提供电能，满足驱动电路的电流变化。

有人说：旁路电容是去耦电容的别称。也有人说（去耦就是旁路，旁路不一定是去耦！）
参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor#Decoupling

我们经常提到时去耦、耦合、滤波等说法，是从电容器在电路中所发挥的具体功能的角度去称呼的，这些称呼属于同一个概念层次，而旁路则只是一种途径，一种手段，一种方法。

比如，我们可以这么说：电容器通过将高频信号旁路到地而实现去耦作用。因此，数字芯片电源引脚旁边100nF的小电容，你可以称之为去耦电容，也可以称之为旁路电容，都是没有错的，如果你要强调的是去耦作用，则应该称其为去耦电容，有些日本厂家的数据手册比较讲究，文中讲的是去耦电路，就会以“旁路（去耦）电容器”来表示。

旁路与去耦是不是同一个层面的概念，相当于水果与苹果的区别，如图所示：
因此，由于概念层次的不同，在实际称呼中有交叉使用的现象也是正常的，当然，也有一些约定俗成或传统的称呼方法。

搞到最后，还是放弃区分吧，名字爱怎么叫怎么叫，强调那个角度就叫什么名字！

（3）硬件设计时的思考。

问： 为什么总是在电路里摆两个 0.1uF 和 0.01uF 的电容。
答：“噢，不都是这样设计吗？”

电容的自谐振：
电容器存在等效串联电感ESL,和自身的电容，会在特定频率产生自谐振。这个频率为此电容的自谐振频率。

（4）突破还是守住老工程师的硬件经验？

关于为什么总是在电路里摆两个 0.1uF 和 0.01uF 的电容。

其实我们已经有答案了：原因是电容的等效电阻导致的频率关系特点决定的。
我在其他资料上看到，相同容值不同封装的电容谐振频率是不一样的。因此使用不同容值和封装的电容进行组合，改善其滤波特性的方法。（暂时没有找到具体的出处，后面补充）

去耦电容的配置原则如下：

1、电源分配滤波电容

电源输入端跨接一个10μF~100μF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。1μF,10μF电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印制板的地方和一个1μF或10μF的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。

2、芯片配置去耦电容

为每个集成电路芯片配置一个0.01μF的陶瓷电容器。数字电路中典型的去耦电容为0.1/μF的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。
如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4-10个芯片配置一个1μF-10μF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz-20MHz范围内阻抗小于1μF-10μF而且漏电流很小（0.5μA以下）。去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算，即10MHz取0.1μF。对微控制器构成的系统，取0.1μF-0.01μF之间都可以。

3、必要时加蓄放电容

每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10μF。通常使用的大电容为电解电容，但是在滤波频率比较高时，最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用钽电容或聚碳酸酯电容。

4、 PCB 板面布局

除了使用去耦电容器外，还要在去耦电容器、电源和接地端之间采取较短的低阻抗连接。
将良好的去耦合板面布局与糟糕的布局进行了对比。应始终尝试着让去耦合连接保持较短的距离，同时避免在去耦合路径中出现通孔，原因是通孔会增加电感。大部分产品说明书都会给出去耦合电容器的推荐值。如果没有给出，则可以使用0.1uF。

去耦电容为什么要就近摆放：

老师问： 为什么去耦电容就近摆放呢?
学生答： 因为它有有效半径哦，放的远了失效的。

电容的去耦半径
电容去耦的一个重要问题是电容的去耦半径。大多数资料中都会提到电容摆放要尽量靠近芯片，多数资料都是从减小回路电感的角度来谈这个摆放距离问题。确实，减小电感是一个重要原因，但是还有一个重要的原因大多数资料都没有提及，那就是电容去耦半径问题。如果电容摆放离芯片过远，超出了它的去耦半径，电容将失去它的去耦的作用。
理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。

参考资料：
（1）https://zhuanlan.zhihu.com/p/98398625
（2）https://blog.csdn.net/szm1234/article/details/120658008
（3）https://mouser.eetrend.com/content/2017/100006697.html