“去耦电容要靠近 IC 放置。”
电路设计的教科书上一定会这样写。但真正解释“为什么必须靠近”的却出乎意料地少。如果只是把它当作“反正是规矩”来记，一旦在实际布局中遇到问题，就无法灵活应对。
本文将从寄生电感的角度，讲解去耦电容起作用的机理以及“靠近放置”的理由，并用 uSimmics 仿真以波形加以确认。
什么是去耦电容——IC 的“瞬间充电器”
一句话概括去耦（旁路）电容的作用：它是一个在 IC 突然需要电流时，能够迅速提供该电流的“本地电源”。
当数字 IC 开关时，会在瞬间从电源抽取很大的电流。如果要由远处的电源来供给这一电流，电源线和 GND 线上的电感就会成为障碍，使电压大幅波动（这就是上一篇文章讲解的地弹）。
只要把去耦电容放在 IC 旁边，IC 就能从“眼前的电容”而非“远处的电源”取出电荷。电容几乎以零电感释放电荷，因此能够大幅抑制电压波动。
去耦电容与 IC 之间存在电路板走线。这段走线必然带有电感。IC 与去耦电容距离越远，这个电感就越大。以下将这一由走线产生的电感记作 L_wire。
电容与电感串联后会构成 LC 电路。在高频下，这个电感会形成很大的阻抗，阻碍电流流入电容。也就是说，从 IC 看去，去耦电容越“远”，在高频下就越失效。
电容本身也有寄生电感
还需要注意的是，电容本体也具有等效串联电感（ESL）。以下将其记作 L_esl。片式电容的 ESL 约为 0.5～1 nH，而带引线的电容则会达到 5～20 nH 以上。
由于这个 ESL，电容存在一个“能够作为电容工作的上限频率（自谐振频率）”。一旦超过该频率，电容就会表现为电感。
去耦电容之所以推荐使用片式陶瓷电容，正是因为它的 ESL 小，能够将效果维持到高频。
至此出现的两个寄生电感——由走线产生的 L_wire 与电容自身的 L_esl——如下图所示串联接入。再加上去耦电容本体的 C，可以看出实际的等效电路是“C、L_wire、L_esl”串联而成的 LC 电路。
用 uSimmics 验证——距离不同带来的效果差异
实验 1：改变去耦电容的距离
实际到底会有多大变化，用仿真来看看。
在 uSimmics 中搭建如下电路：
- 电压源（VCC = 3.3 V）
- 模拟 IC 开关动作的电流源（上升时间 1 ns）
- 模拟 IC 与去耦电容之间走线的电感（L_wire）
- 去耦电容（C = 0.1 μF，ESL = 1 nH）
- 观测节点：IC 的电源引脚电压
从波形可以确认：
- 去耦电容越近（L_wire 越小），电源电压的波动被抑制得越小。
- 去耦电容较远（L_wire 较大）时，即使装了电容也几乎没有效果的情况也会出现。
- 振铃的周期随走线电感成比例变长（LC 谐振频率下降）。
实验 2：改变电容容量
两级配置才是正解——覆盖频率带宽
由于用一个去耦电容覆盖全部频段很困难，去耦电容采用两级配置是基本做法。
第 1 级：电路板入口（应对低频）
设置在电源引入电路板的紧后方。目的是：
- 对从外部走线侵入的噪声进行滤波
- 降低整块板电源阻抗的低频成分
所用元件：数十 μF 左右的铝电解电容或钽电容。必要时与电感组合构成 LC 滤波器。
第 2 级：紧邻 IC（应对高频）
设置在 IC 的电源引脚、GND 引脚紧旁边。目的是：
- 瞬时供给 IC 的开关电流
- 降低高频区域的电源阻抗
所用元件：0.01～0.1 μF 的片式陶瓷电容（优先选择 ESL 小的）。原则上每个 IC 配置 1 个。对于耗电小、速度低的 IC，也可以每 2～3 个 IC 配 1 个。
将第 2 级再增设为 2 个的情况
若想让高频对策覆盖更宽的频率带宽，也可以将第 2 级的电容采用两种（例如 0.1 μF + 0.001 μF）。此时，应把容量较小的一个放在更靠近 IC 的一侧。容量越小的电容，其自谐振频率越高，对超高频越有效。
实装上的注意点
“靠近”是多近？
大致标准是在 IC 的电源引脚、GND 引脚 2～3 mm 以内。要注意由于电路板走线的绕行，使实际距离变长的情况。
这里重要的是，不是看起来放得近，而是电流实际流过的走线路径要最短。即使把去耦电容放在 IC 紧旁边，如果通向电源或 GND 的走线绕了远路，作为电流路径的距离就会变长，寄生电感也同样增加。反之，即便中间留有一些空隙，只要走线笔直且短，效果就能维持。判断标准应放在“走线路径的长度”上，而不是“物理上的近”。
GND 过孔的位置也很重要
在多层板中，把将去耦电容 GND 侧连接到 GND 平面的过孔，尽量设在去耦电容正下方。过孔一旦远离，其间的走线也会变成电感。
总结
- 去耦电容是瞬时供给 IC 开关电流、抑制电源电压波动的“本地电源”。
- 离 IC 越远，走线电感越大，高频下的效果就越丧失——所以要“靠近放置”。
- 电容自身的 ESL 也会限制高频特性，因此要使用片式陶瓷电容。
- 两级配置（板入口的大容量 + IC 紧旁的小容量）可覆盖较宽的频率带宽。
不是“放个去耦电容就行”，而是要一直思考到“放在哪里、放什么、放几级”，这在实际的噪声对策中至关重要。
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