旁路、去耦、Bulk以及耦合電容的做用與區別

在硬件設計中有不少種電容，各類電容的功能、種類和電容容值各不相同。按照功能劃分的話，最重要的幾種電容分別稱爲：去耦電容（De-coupling Capacitor），旁路電容（Bypass Capacitor）、Bulk電容以及耦合電容（Coupling Capacitor）。

閱讀了一些文獻資料以後發現，這些電容的功能之間有差別，也有類似之處。下面的介紹主要是在查閱了大量文獻的基礎上，通過本身的理解和總結，對各類電容的功能進行整理。由於做者能力有限，若有不妥之處但願各位網友能夠批評指正。

數字電路系統中的電源系統

對於數字芯片總但願供電電源的電壓是恆定的DC值，不要出現任何的波動。但這是很難作到的，緣由有兩點。第一點是"熱噪聲"始終存在，任何電源的輸出信號都不多是恆定不變的，常見的狀況以下圖中深藍色線條表示的狀況。

 

圖 1

當在電源與GND之間放置了電容以後，電源輸出端的狀況如圖 1中粉紅色線條所示，可見電容致使的電壓波動明顯變緩了。

致使供電電壓波動的第二個緣由就是負載所須要的電流是不肯定的，且動態變化的。特別是當負載是一些可編程處理器時，因爲執行的功能隨時間的變化而不一樣，所須要的電流也會隨時間不斷變化。例如處於低功耗狀態下所須要的電流很小，若是同時多個IO引腳進行信號跳變，所須要的電流又會不少。而這些電流所有來自供電電源。因此當供電電源的輸出電流有很大波動時很難保持輸出電壓的平穩，勢必會形成短期的供電電壓波動。波動的大小以及什麼時候能夠恢復都與電源器件的性能指標有關。

這裏有必要說明一下電源供電的波動對於數字電路的影響。若是電源的負載是LED這些簡單的外設，供電電壓的忽然波動不會有太大影響。但若是負載是處理器，那麼短期的電壓波動可能會致使瞬時供電電壓超出了處理器的specification範圍，致使處理器掉電重啓（瞬時電壓太低）或者瞬時高壓對數字芯片形成損害。因而，在數字電路系統設計中，保持供電電壓的穩定是很是重要的。

旁路電容

旁路電容（Bypass Capacitor）。電容的一個重要的電器特性是"通交流，隔直流"，其電抗的計算公式以下:

 

旁路電容的做用就是將系統中的高頻噪聲旁路到GND。通常是在電源引腳和GND之間並聯一些容值較小的（典型值0.1uF）電容，如圖 2所示，用於將高頻噪聲短路到GND，從而避免噪聲進入器件的供電引腳。

 

圖 2

濾除高頻噪聲是旁路電容最主要的功能，可是若是考慮一下電容是如何完成這個功能的，或者說電容是如何作到通交流，隔直流的。其實本質也是電容做爲一個電能的儲能器件，在兩極板間電壓差很快增大時，給電容充電；電壓差減少時，電容放電。從這個角度分析的話，旁路電容也能夠當作一種小的電能儲存器（Energy Reservoir），與後面介紹的去耦電容和Bulk電容有類似之處。

去耦電容

去耦電容（De-coupling Capacitor），在一些文獻中認爲去耦電容就是旁路電容。另一些文獻中提出了去耦電容與旁路電容的區別在於："旁路電容是把輸入信號中的干擾做爲濾除對象，而去耦電容是把輸出信號的干擾做爲濾除對象，防止干擾信號返回電源。"

暫時我沒法判斷哪種說法更加準確，但既然有提出不一樣的觀點，就介紹一下：

從名稱來看去耦就是去除耦合的做用。那麼什麼是耦合，是什麼和什麼之間的耦合，以及爲何會發生耦合。

這裏的耦合指的是前一級輸出與後一級器件輸入之間的耦合。所謂的耦合是指"數字電路中，當電路從一個狀態轉換爲另外一種狀態時，就會在電源線上產生一個很大的尖峯電流，造成瞬變的噪聲電壓，會影響前級的正常工做。這就是耦合。"在這個理解中，與前面提到的致使供電電源電壓波動的第二種緣由很是接近，是因爲後一級器件拉電流的增大致使電源電壓的波動產生從而影響的其餘器件。

去耦電容對於解決這種問題的做用就是充當儲能電池的做用，知足驅動電路的電流變化，從而避免相互之間的耦合干擾。

綜上，去耦電容有兩種做用。第一是與旁路電容類似的功能，旁路掉器件輸出的高頻噪聲；第二是充當儲能電容，在負載所需電流忽然增大時提供電能，知足驅動電路的電流變化。這一點和Bulk電容的功能有很是相似，二者的區別稍後討論。

Bulk電容

Bulk電容的做用很是明確，就是用於在電源供電負載瞬時須要大電流時，能夠爲電路提供足夠的電流，以保證電源供電電壓的穩定，至關於Energy Reservoir。因此Bulk電容通常選擇容值較大的極性電解電容，通常與regulator的output引腳並行排列。

Bulk電容的儲能做用與去耦電容的儲能做用很相似，那麼二者的區別是什麼呢？二者在這個功能上倒是沒有本質的區別，可是Bulk電容覆蓋的面積更大，每每覆蓋的是一片區域，所能儲存和提供的能力更多。而去耦電容能夠說是用於本地的，每一個芯片配有本身的去耦電容。去耦電容相比與bulk電容，儲能較少，可是反應速度更快，高頻信號引腳旁特別須要放置去耦電容，且距離足夠的近。這點是Bulk電容沒法作到的，由於Bulk電容體積較大。當這些引腳高速變化時，旁邊的去耦電容爲其提供足夠的能量。

耦合電容

耦合電容（Coupling Capacitor），與去耦電容將高頻AC信號阻斷相對應，耦合電容用於串聯在高速鏈路的兩端，目的是讓AC信號經過，阻隔DC信號