芯片IC附近放置的电容是多少？1uF、0.1uF、0.01uF如何选？

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EDN的读者们面试时是否有被问到过：芯片附近放置的电容是多少？

有些读者可能会回答0.1uF，但面试官却又追问：为什么选取0.1uF？而不是0.01uF?或1uF？有什么理论依据吗？想必此时不少读者都会想到，我看别人都是这么画的，官方推荐也是这么干的，如果你是这么回答，那面试官是不会满意的。那该怎么回答才是正确的呢？电路设计的每一个器件可以说是都不是没有根据的随便选型，只是可能到你手里之后，已经经过多方验证，是成型的原理图，参数不需要修改，所以关注的也少。回归正题，接下来分析分析，上面提到的，为什么是0.1uF电容，而不是1uF、10uF......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，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下图所示。

上图中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+j(ωL - 1/ωC) =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，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下图所示：

上文说了，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。从上图中看出，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/ωCESRESR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。具体来说，当我们的芯片IC内部的逻辑门在10-50Mhz范围内执行的时候，芯片内部产生的干扰也在10-50Mhz,（比如51单片机），仔细看上图的曲线，0.1uF电容 （有两种，一种是插件，一种是贴片）的谷底刚好落在了这个范围内，所以能够滤除这个频段的干扰，但是，看清楚，是但是，当频率很高的时候（50-100Mhz），就不是那么回事了，这个时候0.1uF电容个滤波效果就没有0.01uF好了，以此类推，频率再高，选用的滤波电容的量级还要变小，具体怎么参考呢?参考如下表：

所以，以后不要见到什么都放0.1uF的电容，有些高速系统中这些0.1uF的电容根本就起不了作用。另外，有兴趣的读者可以再看看麻省理工公开课：电路和电子学。面试完之后，又和面试我的大牛讨论了一下他的模拟电路学习的方法，他说的大概的意思就是:1.保持一颗好奇心，尽可能的刨根问底，不懂的多在论坛上问一问；2.多看看拆机视频，看看别人怎么设计的。

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