去耦電容(decoupling capacitor)
去耦電容是一個就近的小水塔,擺在一台口渴的機器旁邊,這樣當機器突然猛灌一大口,通回水泵的那條長管才不會壓力驟降。一顆數位晶片正是這樣一台機器:每次它的閘切換,就抓取一道尖銳的電流脈衝。餵它的細銅走線帶有電感與電阻,所以若沒有就近的儲水,那道脈衝會使晶片自己的電源電壓下陷並振鈴。去耦電容跨接在晶片的電源腳與接地腳之間,就近供應那一口瞬間的猛灌。
它之所以有效,是因為電容會抵抗電壓的驟變;它存著一點電荷,隨時準備急忙倒出。當晶片要求一道快速的電流脈衝,就近的電容在數奈秒內就把它送上,遠快於繞回電源供應器那段緩慢、帶電感的往返。經典值是每支電源腳 100 nanofarads(0.1 microfarad),盡可能貼近接腳擺放,因為電容與接腳之間的迴路電感,正是限制它能多快幫上忙的關鍵。常見的做法是用一顆較大的整體電容,比方 10 microfarads,應付較慢、較大的需求,而那顆小小的 100 nF 應付快速的邊緣。
這是整個電路製作中最重要的單一實務習慣:用一顆小陶瓷電容橫跨每顆晶片的電源腳。省掉它,紙上完美的電路圖就會發生突波、隨機重置或輻射干擾,因為切換電流被迫走進一個長迴路,同時化為電源雜訊與一根天線。誠實的細節:電容與走線電感一起構成一個共振,所以在某個頻率之上,電容其實表現得像電感、幫助變小。這正是為何短的連接、有時並聯數個不同值,遠比追求一個大電容數字更要緊。
在一顆邏輯晶片的 VCC 與 GND 腳之間放一顆 100 nF 陶瓷電容,距接腳僅數毫米。沒有它,晶片本地的 5 V 電源軌可能在每個時脈邊緣下陷 0.5 V 而導致隨機異常;有了它,這個下陷幾乎消失。
就在接腳旁、每顆晶片都要——讓紙上設計真正能動的習慣。
去耦電容的確切值,遠不如它的擺放位置要緊。一顆焊在距接腳數毫米處的 100 nF 電容,勝過一公分外的 10 microfarad 電容,因為決定高頻表現的是連接的電感,而非電容值。