通過一次關于基本知識的對話，讓我們深入考察那沒有什么魅力但是極其關鍵的旁路電容和去耦電容。

 編輯引言：旁路電容是關注度低、沒有什么魅力的元器件，一般來說，在許多專題特寫中不把它作為主題，但是，它對于成功、可靠和無差錯的設計是關鍵。來自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz參加了關于該主題的進一步對話。本文是對話的第一部分。Dave和Tamara信仰辯論的價值、教育的價值以及謙虛地深入討論核心問題的價值；簡而言之，為了獲取知識而展開對一個問題的討論。下面請“聆聽”并學習。

 David: 有一種觀念認為，當我們做旁路設計時，我們對低頻成分要采用大電容(微法級)，而對高頻成分要采用小電容(納法或皮法級)。

 Tamara: 我贊成，那有什么錯嗎？

 David: 那聽起來很好并且是有意義的，但是，問題在于當我在實驗室中驗證那個規則時并未得到我們想要的結果！我要向您發出挑戰，Tamara博士。

 Tamara: 好啊！我無所畏懼。

 David: 讓我們看看，你有一個電壓調整器并且它需要電源。電源線具有一些串聯阻抗(通常是電感以及電阻)，這樣對于短路來說，它在瞬間提供的電流就不會出現大變化。它需要有一個局部電容供電，如圖1所示。

 
圖1：旁路電容的功能。

 Tamara: 我到目前均贊成你的觀點。那就是旁路的定義。Dave，接著說吧。

 David: 例如，有些人可能用0.1 μF電容進行旁路。他們也可能用一個1000pF的電容緊挨著它以處理更高的頻率。如果我們已經采用了一個0.1 μF的電容，那么，緊挨著它加一個1000pF電容就沒有意義。它會增加1%的容值，誰會在意？

 Tamara: 然而，除了電容值之外，有更多要研究的內容。這兩種數值的電容均不理想。

 David: 我們必須考察0.1 μF的實際電路；它存在有效串聯電阻(ESR)以及有效串聯電感(ESL)。

 Tamara: 有時候，你還要把介質損耗一項當成一個并聯電阻來考慮，如圖2所示。

 
圖2：旁路電容的模型。

 David: 現在，當我們遇到具有瞬態特性的這一損耗時，我們假設0.1 μF電容的ESL遠遠大約1000pF的電容。我們需要某一器件在短期內供電，因ESL的存在而讓0.1 μF的電容做不到這一點。假設就在于1000pF的電容具有更低的ESL，因此，能夠提供更好的電流。

 Tamara: ESL與你獲得以及封裝的電容的類型有關。其數值可能完全獨立于電容本身的尺寸和數值，如圖3所示。

 David: (顯示出對年輕同事所具有的知識的驚訝)

 Tamara: 我曾經看到過一些人把100 nF、10 nF和1 nF的電容分級并聯起來使用，它們可能均采用相同的封裝，例如0402，因為這些電容通常就是采用這種封裝形式。然而，每一種0402封裝均具有相同的ESL，因為它們具有相同的電感以及相同的高頻響應，因此，這么安裝電容于事無補。

 
圖3：旁路電容的阻抗。

 David: 我們在實驗室中所發現的問題在于，各種封裝均是類似的。我們所采用的大多數陶瓷電容均為面積是0805或0603的電容。我測試發現，把0603 0.1 μF電容挨著0603 100pF電容安裝，效果上不如僅僅采用兩個0603 0.1 μF的電容。

Tamara: 那是完全有可能。我猜測，你所處的頻率范圍就是0603 0.1 μF電容被最優化的頻率范圍。

 
圖4：相同尺寸和不同尺寸的電容的阻抗比較。

 David: 是的，ESR和ESL是原數值的一半且非常管用。在這些應用中，我所研制的開關調整器的工作頻率大約為1MHz。

 Tamara: 在你的情況下，要調整電容的數值以及封裝，以改善對你沒有興趣的那個頻率范圍的旁路網絡。圖4假設我們談論的是相同類型的電容(陶瓷電容)。其它類型的電容—如鉭電容—具有更高的ESR，因此，整個曲線突起。另一方面，有時可能全部要采用鉭電容。

 David: 我們現在講講歷史。過去，人們采用他們手上能用的一切元器件。那時，你無法獲得封裝小的100 μF電容，你不得不通過縮短旁路電容器上的引線來改善旁路網絡。當今的大電容的尺寸正逐漸縮小類似于較小電容所具有的尺寸。當你開始認真考慮選擇一只0.1 μF電容時，你肯定選擇0603的封裝，并且，最終會選擇0402封裝的電容(因為我沒有看過0402封裝的電容，我傾向于不采用那些電容)。

 Tamara: 按照分級封裝的階梯電容(stepped capacitor)的確切含義來自于賽靈思公司的討論。他們的FPGA被用于各種各樣的應用之中，并且，他們設法測試了所有的條件。因此，他們在高達5Gsps的寬頻帶內需要一種低阻抗電容對電源旁路。另一方面，你需要一種較低帶寬的解決方案。

 David: 我的評論全部來自較之于比賽靈思的速度更低的電源應用。你的辯論非常聰明，因為你指的是封裝尺寸，而其他人沒有那么深入的思考。他們通常所，高頻需要小電容，而低頻需要大電容。

 Tamara: 啊，真是的，我要臉紅了。

 David: 我的旁路事業一直是非常令人厭煩的，因為在大多數時間內，規則就是用0.1 μF電容旁路每一個芯片，那就管用了。

 Tamara: 那不僅僅與封裝有關，而且還與布局有關。

 David: 絕對正確!我循著電路板上的電流路線，發現電路板上存在電感。在任何電流路徑上的電感與該路徑的閉環面積呈正比。因此，當你圍繞一個區域對元器件進行布局時，你需要把元器件緊湊地布局。那就是你為什么把元器件保持緊湊布局的原因—保持電感為低。然后，選擇具有良好ESL和ESR的電容。我希望對于它有更多的設計藝術，但是，它的確是實用證明正確的少數的簡單規則之一。

 Tamara: 當然，你可以購買具有較低ESL和ESR的電容，但是，他們通常比標準的陶瓷電容更為昂貴。

 David: 在大多數情形下，與每一塊芯片盡可能接近的0.1 μF旁路電容仍然非常管用。

 (未完待續)