在硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，搞硬件的人員通常會(huì)注意到芯片電源引腳旁一般會(huì)放置一個(gè)電容，且這個(gè)電容大多為 100nF，該電容也被稱為去耦電容（Decoupling Capacitor）。這一設(shè)計(jì)在硬件電路設(shè)計(jì)中極為常見，但為何常選 100nF 呢？這并非隨意決定，而是物理原理、工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際場(chǎng)景綜合考量的結(jié)果。接下來，我們將詳細(xì)剖析其中緣由。

　　去耦電容的作用
　　芯片如 MCU、FPGA 等在工作時(shí)，內(nèi)部晶體管會(huì)不斷進(jìn)行開關(guān)操作。每次開關(guān)時(shí)，都需要從電源獲取電流，且電流變化迅速，呈現(xiàn)出 “脈沖” 狀。然而，電源線和 PCB 走線存在寄生電感，其響應(yīng)速度較慢，這會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)波動(dòng)，即產(chǎn)生 “電源噪聲”。去耦電容就如同一個(gè)靠近芯片的小 “水庫”，當(dāng)瞬態(tài)電流不足時(shí)，它能及時(shí)補(bǔ)充電流，穩(wěn)定電壓，并抑制高頻噪聲。
　　為何選擇 100nF
　　選擇 100nF 并非毫無依據(jù)，在大多數(shù)場(chǎng)景下，這個(gè)數(shù)值恰到好處，以下從幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

　　頻率響應(yīng)適宜：一般而言，芯片開關(guān)產(chǎn)生的噪聲頻率通常在幾十 MHz 到幾百 MHz 之間，具體取決于芯片的實(shí)際時(shí)鐘頻率和開關(guān)速度。這就要求去耦電容能夠快速響應(yīng)這一頻率范圍的波動(dòng)。電容的阻抗（Zc = 1/(2πfC)）與頻率 f 和容量 C 成反比。頻率較高時(shí)，電容阻抗較低，能夠吸收高頻噪聲；頻率較低時(shí)，阻抗較高，作用減弱。

　　通常情況下，100nF 電容的表現(xiàn)十分出色。在 10MHz 時(shí)，100nF 電容的阻抗約為 0.16Ω，較低的阻抗能夠吸收大部分噪聲。當(dāng)頻率達(dá)到 100MHz 時(shí)，阻抗降至 0.016Ω，吸收噪聲的效果更佳。雖然在更高頻率（如 1GHz）時(shí)，寄生電感會(huì)產(chǎn)生影響，但該頻率已超出許多芯片的主要噪聲范圍。
　　相比之下，10nF 電容在 100MHz 時(shí)阻抗為 0.16Ω，表現(xiàn)尚可，但在 10MHz 時(shí)阻抗達(dá)到 1.6Ω，效果欠佳。而 1μF 電容在 10MHz 時(shí)阻抗為 0.016Ω，低頻性能良好，但在高頻時(shí)，封裝寄生電感會(huì)影響其效果。因此，100nF 電容的頻率覆蓋范圍恰好處于大多數(shù)數(shù)字芯片的噪聲 “甜點(diǎn)區(qū)”。
　　反應(yīng)速度合適：電容容量越大，存儲(chǔ)的電荷越多，但充放電速度越慢；容量越小，反應(yīng)速度越快，但存儲(chǔ)的電荷量較少。100nF 電容的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠存儲(chǔ)芯片開關(guān)所需的電荷（通常為 pC 到 nC 級(jí)別，具體取決于芯片電流），同時(shí)其充放電時(shí)間常數(shù)（RC）較短，能夠跟上幾十 MHz 的瞬態(tài)跳變。
　　例如，假設(shè)一個(gè)芯片內(nèi)部晶體管開關(guān)電流峰值為 10mA，持續(xù)時(shí)間為 10ns，則所需電荷 Q = I×t = 10mA×10ns = 100pC。100nF 電容在 5V 電壓下存儲(chǔ)的電荷量 Q = C×V = 100nF×5V = 500nC，不僅能夠滿足芯片需求，還能快速釋放電荷。
　　寄生效應(yīng)可控：實(shí)際的電容并非理想元件，存在寄生電感（ESL）和電阻（ESR）。封裝尺寸越大，寄生電感越高，在高頻下的效果越差。100nF 電容通常采用 0402 或 0603 封裝，寄生電感較低，一般約為 0.5nH。其自諧振頻率（SRF，即電容和寄生電感共振的點(diǎn)）在幾十 MHz 到 100MHz 左右，正好覆蓋芯片的噪聲范圍。
　　與之相比，1μF 電容的 SRF 可能低于 10MHz，在高頻下效果不佳；10nF 電容的 SRF 較高（可達(dá)上百 MHz），但容量較小，在低頻時(shí)補(bǔ)充電荷的能力不足。因此，100nF 電容在容量和寄生效應(yīng)之間取得了較好的平衡。

　　行業(yè)習(xí)慣因素：100nF 并非理論上的 “完美值”，而是在多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用的 “萬金油” 數(shù)值。芯片廠商如 TI、ST、NXP 等在數(shù)據(jù)手冊(cè)中經(jīng)常推薦使用 0.1μF（即 100nF）的電容，這使得該數(shù)值成為了行業(yè)規(guī)范。同時(shí)，電容廠家的供應(yīng)鏈也與之相配合，100nF 電容價(jià)格便宜、易于購買，且封裝齊全，因此很少有人愿意費(fèi)力去更改。

　　實(shí)際應(yīng)用中的靈活選擇
　　當(dāng)然，100nF 并非適用于所有場(chǎng)景。在超高頻（GHz 級(jí)）應(yīng)用中，100nF 電容的寄生電感在 1GHz 以上會(huì)導(dǎo)致阻抗上升，此時(shí)需要使用 10nF 甚至 1nF 的小容量電容，因?yàn)樗鼈兊?SRF 更高，可與緊貼芯片的布局相結(jié)合，或者與 1μF 或 10μF 的電容組合使用，以應(yīng)對(duì)大電流瞬態(tài)，其中大容量電容負(fù)責(zé)低頻補(bǔ)電，小容量電容負(fù)責(zé)高頻濾波，例如 1μF 加 0.1μF 的組合效果就很不錯(cuò)。如果主要是低頻噪聲，100nF 電容對(duì) kHz 級(jí)噪聲的阻抗過高，濾波效果不佳，此時(shí)可組合使用 10μF 甚至 100μF 的電容，大容量電容在低頻濾波方面效果更好。