啥叫旁路电容?啥叫去耦?可以不再争论了吗

1. 旁路和去耦

先谈两个比较重要的概念:旁路电容(Bypass Capacitor),去耦电容(Decoupling Capacitor)。

只要是设计过硬件电路的同学肯定对这两个词不陌生,但真正理解这两个概念的可能并不多。我刚毕业时就问过我的师傅,为什么总是在电路里摆两个 0.1uF 和 0.01uF 的电容。当时我的师傅比我年龄大很多。他很遗憾的看着我说:"噢,不都是这样设计吗?" 于是,我被这个小问题,继续折磨了很多年。你要知道当年互联网还不普及,某歌某度还不知道在哪儿呢。

直到我的年龄比我师傅当年大,我对这两个词儿的理解才慢慢深入了一些。可是我发现现在的年轻人跟我们当年困惑一样多。网上一搜资料一大堆,可是你会发现错误的和正确的一样多。甚至有的专门往岔路上带的。前几年的莆田系不就是这么干的么?(是不是有点儿地域歧视?Fogive me then!)

理解英文翻译过来的词汇一定要回到英文,只盯着 "旁路","去耦"这两个词瞎琢磨可能会走火入魔。

Bypass

pass 是通过的意思,by pass 从靠近的地方,从旁边通过。大路不走走小路,主路不走走辅路。

Decoupling

Couple 一对,一双。动词引申为配对,连接的意思。如果系统A中出现的事物(信号)引起了系统B中一事物(信号)的出现,或者反过来,那么我们就说系统A与系统B出现了耦合(Coupling)。

De coupling 即减弱这种耦合。

2. 电源旁路和去耦电路例子

下面我们看一个例子,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。

3. 理论和实践的距离

回到我们开始那个令人困惑的问题。我们知道电容阻抗计算公式:

阻抗 Z=1/jωC

容抗 Xc=1/ωC=1/2πfC

容抗与频率和电容值成反比,电容越大,频率越高则容抗越小。那么0.1uF的电容容抗比0.01uF的小10倍。对某一频率的干扰信号来说,如果能被容抗大的0.01uF的旁路掉,那么应该更容易通过容抗更小的0.1uF的电容旁路。那多加一个0.01uF的电容不是有点儿浪费吗?

我发现不少同学都产生过类似这种困惑,特别是从学校毕业不久的时候。这可以引出一个比较大的问题:我们学校里的课程和实际脱节比较严重。考试的时候可以演算出登陆火星的路径,现实里往往被一个小问题绊倒。当年有个工作都快退休了的老同志,也深受其害,和人争论地线上到底有没有电流!他的理论依据就是地线上电压为零,I=V/R=0/R=0。我们学校里就一直是这么教的,好吧。

马克思主义再正确,也要和社会实践相结合不是。我们理解现实的一大武器就是:不要把现实世界中的东西理想化。

现实中的电容由于引线,介质的非理想性,在一个电容器件中存在电感特性,电阻特性。对于一个特定的电容,当频率低于某个值时元件呈容性,当频率高于此频率时原件呈感性。这个频率为此电容的自谐振频率。

当我们用一个0.1uF 和一个0.01uF 的电容并联时,相当于拓宽了滤波频率范围。

(此图片使用 Murata 公司提供的 Simsurfing 工具生成)

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