芯片IC附近为什么放0.1uF的电容？1uF不行吗？

南山扫地僧 2022-05-20

收录于合集 #精彩文章汇总 28个

我们在电源滤波电路上可以看到各种各样的电容，100uF、10uF、100nF、10nF不同的容值，那么这些参数是如何确定的？

数字电路要运行稳定可靠，电源一定要”干净“，并且能量补充一定要及时，也就是滤波去耦一定要好。什么是滤波去耦，简单的说就是在芯片不需要电流的时候存储能量，在需要电流的时候又能及时地补充能量。有读者看到这里会说，这个职责不是DC/DC、LDO的吗？对，在低频的时候它们可以搞定，但高速的数字系统就不一样了。

先来看看电容，电容的作用简单来说就是存储电荷。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。但是，怎么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图1所示。

图1

图1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。

我们知道：

电容的容抗

Zc=1/ωC

电感的感抗

Zl=ωL，ω=2πf

实际电容的复阻抗为：

Z=ESR+jωL-1/jωC

=ESR+j2πf L-1/j2πf C

可见，当频率很低的时候是电容起作用，而频率高到一定程度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。实际电容的滤波曲线如图2所示。

图2

上面说了，电容的等效串联电感是由电容的制造工艺和材料决定的。实际的贴片陶瓷电容，ESL从零点几nH到几个nH不等，封装越小ESL就越小。

从图2中看出，电容的滤波曲线并不是平坦的，它像一个’V’，也就是说有选频特性。有时候我们希望它越平越好（前级的板级滤波），而有时候希望它越尖越好（滤波或陷波）。

影响这个特性的是电容的品质因素Q：

Q=1/ωCESR

ESR越大，Q就越小，曲线就越平坦；反之ESR越小，Q就越大，曲线就越尖。

通常钽电容和铝电解有比较小的ESL，而ESR大，所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围，非常适合前级的板级滤波。也就是说，在DC/DC或者LDO的输入级，常常用较大容量的钽电容来滤波。而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的电容来去耦，陶瓷电容有很低的ESR。

说了那么多，那到底在靠近芯片的管脚处放置0.1uF还是0.01uF？下面列出来给大家参考。

频率范围/Hz	电容取值
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
>100M	1nF(0.001uF)陶瓷电容、PCB电源与地间的电容