“如何穩定數字電路的供電電壓？為什么說大部分網上的建議都不太靠譜？本文將理論結合實際，介紹去耦電容的使用方法。”

二十年前，要制造一臺便攜式音樂播放器，你必須把幾百個電子元件拼湊在一起。如今，只需一個芯片和十幾個無源元件就能實現同樣的功能。甚至還能免費獲得 Wi-Fi 和藍牙功能。 去耦電容是少數幾種在集成化程度不斷提高的情況下依然存在并發揮重要作用的分立元件之一。這不僅僅是因為這種電容很難在集成電路的芯片上制造；在高速數據傳輸和低供電電壓的世界里，去耦電容在保持電路正常運行方面發揮著越來越重要的作用。

在業余愛好者中，對去耦電容的理解仍然是一知半解。有些人完全跳過了去耦電容，但設備仍然能夠工作，他們還能和你分享他們的經驗；有些人則遵循著來歷不明的古老傳說，結果做出了一些糟糕的設計：

在本文中，我希望對去耦電容器在數字電路中的實際作用作一些說明，并且提供關于如何將去耦電容融入到設計中而不過度使用的建議。

去耦電容到底有什么作用？

在穩態時，一個典型的 CMOS 集成電路需要的功率非常小。芯片的能耗主要與狀態轉換有關，即在 “0” 和 “1” 之間切換。這是因為狀態轉換需要在芯片內部的場效應晶體管的柵極之間來回移動電子，以完成充電或放電。 有些內部狀態轉換只需要相對較小的電流，但其他一些則需要更多的電流，比如需要驅動輸出的較大晶體管的動作。為了以兆赫茲的速度切換晶體管（快速上升和下降時間），芯片必須在短時間內提供相當大的電流。在典型的微控制器中，轉換時間通常不超過幾納秒，但可能需要數百毫安的電流。 這就帶來了挑戰。在快速變化的大電流下，PCB 走線會表現出電阻損耗和不可忽視的感抗。電源不完美的需求響應特性也會造成影響。最終，即使是看似微不足道的數字切換也可能在整個電路中引起顯著的電壓波動和電氣噪聲。

下面的示波器圖顯示了常用的 ATmega MCU 反復切換幾個未連接的輸出引腳所產生的影響。MCU 時鐘速度為 8 MHz；方波上升時間約為 5 ns：

一個簡單 MCU 應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，約為標稱電源電壓的 40%。這本身就足以破壞 MCU 的穩定性。如此大的噪聲幅度本身就有可能使 MCU 變得不穩定，因為芯片不再有與其他電路共享的穩定 Vdd（電源電壓）和 GND（地）參考電平。這使得將其與其他設備進行接口連接變得很困難。雖然這種情況不是一定會出現故障，但很可能會出現莫名其妙的問題，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生噪聲的芯片引腳。其主要目的是穩定電源電壓，快速響應瞬態電流。

為此，電容必須具有較低的 ESR 等效串聯電阻（即能夠快速充放電）。因此，應當使用多層陶瓷電容 (MLCC) 而不是相對較慢的電解電容。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 實測結果：

電容距離對 AVR Dx MCU 開關噪聲的影響

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分析去耦電容的設置，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，因為實際電路中上游和下游的阻抗參數很難準確估算，所以很難精確地按照這種理論分析來設計去耦電容的配置。 在實際應用中，更多是依據一些經驗法則來進行去耦電容的選擇和布置。

基本去耦電容配置：對于常見的 PIC、AVR 或中檔的 ARM MCU，通常每個供電域放置一個 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，這樣一般就足以應對這些 MCU 內部的開關電流了。

根據負載情況增加“大容量”電容：如果 MCU 需要驅動較大的負載，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。具體實現方式有以下幾種：

使用單個較大容量的MLCC：比如選用一個10 μF 的 MLCC，它能夠在較大負載情況下提供更多的電荷儲備，以滿足 MCU 在驅動負載時瞬間的電流需求，進一步穩定供電。

多個較小容量 MLCC 并聯：將幾個小容量（如100 nF左右）的 MLCC 并聯在一起。這樣做的好處是可以增加總的電容容量，同時也能在一定程度上降低等效串聯電阻（ESR），提高電容的充放電速度和濾波效果，更好地應對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：采用一個小容量（如100 nF）快速響應的 MLCC，再搭配一個較大容量（10 - 100μF）但響應速度相對較慢的鋁聚合物電容。在這種配置中，小容量的MLCC可以快速響應高頻噪聲和瞬態電流變化，而大容量的鋁聚合物電容則主要負責提供較大的電荷儲備，用于應對持續時間較長的電流需求。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 稍遠一些的位置，因為小容量的MLCC已經能夠在靠近微控制器的地方快速提供所需的電流，從而保證了整個電路的穩定供電。

一個電容就夠了嗎？

一個精心選擇的去耦電容可以大大降低開關噪聲，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增加；這是因為器件內部的導電表面積相當大，形成了一個小電感，限制了電容的響應速度。最終結果是，典型的 MLCC 無法在超過 100 MHz 左右的（正弦波）頻率下提供大電流。 換句話說，一些衰減的高頻噪聲將不可避免地通過。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越來越低。 在敏感電路中，通過在電源和去耦電容之前串聯一個小磁珠，可以進一步緩解高頻噪聲的問題。電感為直流信號提供了一個低阻抗路徑（幾毫歐），同時比接地的并聯電容更好地抑制兆赫范圍內的交流信號：通常在 1 GHz 或更高頻率下表現良好。但此時寄生效應將再次產生影響。

以下示例來自 SAM S70 MCU 的規格書，建議在 USB 收發器和鎖相環 (PLL) 時鐘倍增器的電源線上使用兩個阻抗為 470 Ω、頻率為 100 MHz 的磁珠：

MCU 供電線路上的噪聲過濾磁珠

結合去耦電容，效果非常明顯：

鐵氧磁珠對噪音的抑制作用

盡管如此，必須強調的是，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生的一側。鐵氧體磁珠可以保護模擬電路免受數字開關信號的干擾，也可以保護 MCU 免受來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去耦電容，以便為下游電路提供一個穩定的電源儲備。同時，在電源側（上游）放置一個電容也是明智的，這樣可以進一步提高電路的穩定性。

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的邊緣，從而減少不必要的電流和意外的射頻輻射。這對于運行速度較慢的總線（如 I2C 或 SPI）尤其有用。在某些情況下，如果手頭沒有鐵氧體磁珠，也可以使用小電阻來代替，但它們的性能通常不如鐵氧體磁珠。

除此以外，大多數其他噪聲抑制技術都與 PCB 設計相關。例如，讓敏感的模擬電路與數字信號保持一定距離是一種良好的 PCB 布局策略；在高速數據線下方緊貼一個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路，將寬帶噪聲輻射到開放空間。

如果制造商說...

某些數字芯片的數據手冊會列出建議的去耦方法。這些建議不應被忽視，但也不能完全奉為圭臬。制造商在給出建議時，會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行。

設備以最大支持時鐘速度運行。

芯片上外設達到最大利用率。

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

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

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了數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，或者開關噪聲傳播到了敏感的模擬電路，那么你應該改進設計。

確認高速輸出總線信號是否正確：如果與項目相關，要確認任何高速輸出總線（例如USB）上的信號是否正確，特別是在預期的上升和下降時間、噪聲和任何周期性故障方面。示波器的“眼圖”可以幫助進行這項檢查。

降低 IC 電源電壓進行測試：作為最終測試，將IC的電源電壓降低10-20%。如果數字電路仍能正常工作，那么你可能在應對開關噪聲方面有很好的安全裕度。

"1 nF / 10 nF / 100 nF" 規則是什么？

有這么一種古老的說法：為了達到最佳的去耦效果，您必須將至少三個電容組合在一起，它們的容值相差一個或兩個數量級（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，因為當時不同容量的電容通常是用不同的技術制造的。最小容量的電容是陶瓷電容，它具有低阻抗，但容量較小，不足以平滑持續時間較長的電流波動；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，高頻響應較差，但能夠存儲較多的電能。

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

誠然，在非常高頻的情況下，比如幾百兆赫茲，電容的殘余電感會成為限制因素。在這種情況下，組合使用多個不同類型的電容可能會在一定程度上提供更好的寬帶噪聲抑制效果，但這可能會導致系統中出現一些不期望的反諧振峰（使系統在處理某些特定頻率時變得無效）。相比之下，使用專門的低電感（“低 ESL”）MLCC是一種更簡單且副作用更少的解決方案。

PCB Layout 的影響

如前文所述，去耦電容應盡可能靠近集成電路，因為過長的走線會因電阻和電感而阻礙電容發揮作用。一般來說，應盡量將距離控制在1-2厘米以內。

另一方面，最好不要迷信互聯網上的奇談怪論。有一種說法是，左邊的布局比右邊的好得多。

將電容的位置擺放。

據說，在第一種布局中，電壓尖峰首先到達電容，使其在噪聲 “溢出” 到電源線之前起作用。而在第二種布局中，電容應該是到達得太晚了。不要誤解我的意思：在 PCB 設計中，有時需要考慮信號的傳播速度。但在如此微小的距離內，這并不重要，除非您處理的是幾個 GHz 的信號，但在這個頻率范圍內，標準的 MLCC 并不能提供什么幫助。

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

注意：如果想第一時間收到 KiCad 內容推送，請點擊下方的名片，按關注，再設為星標。

常用合集匯總：

和 Dr Peter 一起學 KiCad

KiCad 8 探秘合集

KiCad 使用經驗分享

KiCad 設計項目（Made with KiCad）

常見問題與解決方法

KiCad 開發筆記

插件應用

發布記錄

審核編輯 黃宇