1.前言

 

相信搞硬件的兄弟一般都见过芯片电源引脚一般会放一个电容，而且这个电容一般是100nF，而且芯片电源引脚旁的电容内一般还叫做去耦电容也就是Decoupling Capacitor，这事儿在设计里太常见了，但是为啥老选100nF呢，是拍脑袋拍出来的？还是30年经验的老师傅传承下来的？其实这事还真不是随便拍脑袋决定出来的。这背后有物理原理、工程经验和实际场景的综合考量。今天我们就掰开揉碎讲讲，尽量说得明白点。

 

 

2.去耦电容是干啥的？

 

咱们先说清楚去耦电容的工作到底是个啥？芯片比如MCU、FPGA啥的工作时，内部晶体管不停开关，每次开关都得从电源往外拉出来电流。这电流可不是慢慢来的，而是跳得特别快，像一阵阵“脉冲”。但是电源线和PCB走线又都有寄生电感，所以反应没那么快，电压就容易抖一下，这就是“电源噪声”。去耦电容就相当于个小“水库”，紧挨着芯片放着，瞬态电流不够时它赶紧补上，让电压稳住，顺便把高频噪声压下去。

 

3.为啥选100nF？

 

选100nF可不是玄学，100nF这值在大多数场景下都“刚刚好”。为什么这么说呢？我从几个角度给你讲讲原因：

 

1. 频率响应够用

 

一般来说芯片开关产生的噪声频率一般在几十MHz到几百MHz之间，这个跟芯片实际的时钟频率和开关速度有关。这意味着去耦电容得能快速响应这个范围的波动。而电容的阻抗（Zc = 1/(2πfC)）跟频率f和容量C反着走。频率高时，电容阻抗低，能吸高频噪声；频率低时，阻抗高，作用就弱了。

 

而一般100nF电容的表现可谓是恰到好处：

 

在10MHz时，100nF的阻抗大概是0.16Ω，够低，能吸掉大部分噪声。

 

到100MHz时，阻抗降到0.016Ω，更好使。

 

再高点（比如1GHz），寄生电感开始捣乱，但这频率已经超出很多芯片的主要噪声范围了。

 

相比而言10nF电容在100MHz时阻抗0.16Ω，还行，但在10MHz时就1.6Ω，有点不够用。而1μF电容在10MHz时阻抗0.016Ω，很好，但低频时太强，高频时封装寄生电感又拖后腿。所以咱们就能得出来一个结论：100nF的频率覆盖正好卡在大多数数字芯片的噪声“甜点区”。

 

 

2. 反应速度合适

 

电容容量越大，存的电荷多，但充放电速度慢；容量小，反应快，但存电不够。100nF的优势就是它能存够芯片一次开关需要的电荷，通常是pC到nC级别，当然这实际上要视芯片电流而定。同时，100nF的充放电时间常数（RC）很短，能跟得上几十MHz的瞬态跳变。

 

咱们可以举个例子：假设一个芯片内部晶体管开关电流峰值10mA，持续10ns，所需电荷Q=I×t=10mA×10ns=100pC。100nF在5V下存电Q = C×V=100nF×5V=500nC，绰绰有余，还能快速释放。

 

3. 寄生效应可控

 

电容不是理想元件，实际有寄生电感ESL和电阻ESR，封装越大，比如1206对比0402，寄生电感越高，高频下效果越差。100nF的电容常用0402或0603封装，寄生电感低，一般0.5nH左右。自谐振频率SRF（电容和寄生电感共振的点）在几十MHz到100MHz左右，正好覆盖芯片噪声范围。

 

相比之下1μF的SRF可能掉到10MHz以下，高频就不灵了。10nF的SRF很高（上百MHz），但容量小，低频补电不够。所以100nF电容在容量和寄生效应间平衡得不错。

 

4. 习惯使然

 

还有很重要的一点是100nF不是理论算出来的“完美值”，而是多年设计里大家试出来的“万金油”。芯片厂商像TI、ST、NXP啥的在数据手册里老推荐0.1μF，搞得这值成了行规。并且电容厂家供应链也配合，100nF便宜好买，封装齐全，谁也不想费劲去改。

 

 

 

4.总结

 

当然100nF不是万能钥匙，有些场景得换思路，比如超高频（GHz级），100nF的寄生电感在1GHz以上拖后腿，阻抗上升。这时候就需要10nF甚至1nF，小容量电容SRF更高，配合紧贴芯片布局，或者组合使用应对大电流瞬态，1μF或10μF，跟100nF并联，大的管低频补电，小的管高频滤波。1μF加0.1μF组合，稳得一批。如果以低频噪声为主，100nF对kHz级噪声阻抗太高，滤不干净。组合使用10μF甚至100μF，容量大，低频效果好。

100nF能当去耦电容的“标配”，不是因为它完美，而是因为它够“中庸”。频率响应、反应速度、寄生效应和工程习惯凑一块儿，造就了它的地位。但设计时别死脑筋，具体芯片的噪声频率、电流需求不一样，得多试试。我干活时，示波器一测，哪个值稳就用哪个，数据说话比啥都强。

来源：硬件那点事儿

关键词： 芯片