今天的许多设计都包括三个不同值（10uF/1uF/100nF）的去耦电容器，或者当只使用一个电容器时，可以使用 0.1 uF 这样的小值。是时候重新考虑这些过时的遗留设计指南了。

作为遗留问题的神话

从一开始，电子行业就被更快、更小、更便宜、现在的四种力量拉向未来。这推动了技术、材料、制造和设计方面的革命性和进化性发展的不断进步。

有时，我们在上一代采用的设计原则在下一代变成“遗留代码”，不再适用。适用于一种互连技术组合的方法可能不适用于新的组合。遗留设计指南成为一个神话，应该重新评估。

唯一不变的是变化

我们的行业见证了从电子管、晶体管、集成电路到封装系统的革命性进步。我们经历了从离散布线到单层和双层印刷电路板，再到多层板，再到 HDI 技术的革命性进步。

我们已经看到了从早期通孔器件（例如简单的金属罐封装到 DIP 到大型针栅阵列）到带引线框架的表面贴装封装到小型有机印刷电路基板到球栅阵列到芯片级封装的革命性进步，以及多芯片模块。。

图 1显示了四个具有代表性的技术代板和封装的时间快照

图1 四个时间快照。

从左到右：管子和分立线、管子和电路板、分立晶体管和电路板，以及带有多层电路板的表面贴装 BGA 封装。

技术世代对设计的影响

信号如何与互连交互背后的基本原则没有改变。它们仍然基于具有 150 年历史的麦克斯韦方程组。然而，随着每一代封装和互连技术的发展，我们如何实施设计原则并将其转化为设计指南已经发生了变化。

在使用离散布线的管子的早期，互连通常是透明的。当互连很重要时，首先要解决的问题通常是由于大环路电感引起的串扰。“越短越好”的设计原则以及捆绑在一起的电源线和地线很受欢迎。

当引入多层板时，这些遗留代码中的一些继续将电源和接地路由为离散线，而不是使用接地层。将电源和接地紧密捆绑在一起的传统阻碍了一些早期设计中接地层的实施。

随着时钟频率升至 20 MHz 以上，传输线效应开始占据主导地位，受控阻抗、布线拓扑和端接策略成为互连设计的重要驱动力。“越短越好”的遗留代码导致人们不愿使用菊花链路由拓扑，这可能会导致路径长度更长但反射噪声更低。

当我们进入 1 Gbps 状态时，损耗变得很重要，我们开始选择除了常见的基于环氧玻璃的材料之外的其他材料，以降低损耗。当使用这些低损耗层压板时，我们发现超过 5 Gbps 的铜损耗比预期的要高，我们发现更光滑的铜更好。超过 10 Gbps 时，我们发现 50 年前的玻璃纤维增强电路板制造方法导致了玻璃或纤维编织歪斜的新问题。

有了新技术，我们需要新的设计规则。高剥离强度、环氧树脂玻璃电路板的旧规则不一定是千兆互连时代的最佳设计指南。

专家指南

我们每天在我们的电子产品中应用的设计指南是由行业领导者制定的。这些公司在信号完整性、电源完整性、EMC、材料、制造、可靠性和集成方面拥有专门的专家，他们正在推出最前沿的产品。这些专家应用基本原则为他们引入的新材料、IC 技术和互连技术建立设计指南。

但有时，在一代技术中起作用的东西在下一代中变成了神话。由于这些设计规则是由专家制定的，因此业界其他人有时不愿意放弃旧的设计指南，并继续在可能不适用的新一代技术中使用它们。它们成为我们工具箱中根深蒂固的神话。

如果最后一个设计遵循这些旧的设计指南，人们通常认为这是因为设计指南，即使它可能不顾它们。有时遗留代码是中性的，有时它有缺点。即使它是中立的，如果它阻止建立更好的设计指南，它也会变成负面的。它变成了一个即将被取代的神话。

设计指南神话，例如每个电源引脚使用三个不同的电容器进行去耦，这会降低下一代设计的性能，因此应始终重新评估。

高频电容器

当安装电感大于约 1 nH 时，一个简单的串联 RLC 电路可以很好地描述真实电容器的理想等效电路模型。当它低于 1 nH 时，会出现新的效果，真实电容器的传输线模型更匹配。

简单的 RLC 模型适用于大多数代的电容器。图 2显示了实际 SMT、MLCC 电容器的测量阻抗和理想 RLC 串联电路的模拟阻抗的示例 。

图2 真实 SMT 电容器的测量阻抗（蓝色）和相位以及简单 RLC 电路模型的模拟阻抗（红色）示例。

测量相位和模拟相位的差异表明实际电容器中的 ESR 行为不包括在简单的 RLC 模型中。

该系列 RLC 电路模型是最简单的模型，通常适用于电解、钽、陶瓷、MLCC 电容器的技术范围，无论是通孔还是表面贴装。这只是一阶模型，许多实际电容器可以与二阶模型更好地匹配。但第一个模型提供了对这三个重要术语的作用的洞察。

理想的 C 对应于低频下的阻抗行为。R 通常被称为等效串联电阻 (ESR)。这是由于实际电容器的引线、极板的金属化，以及在较小程度上，电容器中的其他损耗机制。L 称为等效串联电感 (ESL)。这主要是由于电容器的内部结构及其电路板电源和接地路径到它所连接的 IC 引脚。

在通孔电容器时代，从 50 多年前开始，两种常用的电容器技术是电解和陶瓷盘。这些示例 如图 3所示。

图3 电解和陶瓷圆盘电容器的例子。

较小物理尺寸的电容器具有较小的电容、较小的 ESL 和较大的 ESR。

在电解电容器和陶瓷圆盘电容器技术中，可以在电容器中设计的电容数量与其物理尺寸和引线长度之间存在直接联系。较大的电容值意味着较大的物理尺寸电容器。

因为 ESL 还取决于电容器的物理尺寸及其引线长度，所以较大值的电容器也具有较大的 ESL。例如，47 uF 电解电容器的 ESL 可能高达 30 nH，而小型 0.1 uF 圆盘电容器的 ESL 可能低至 7 nH。

甚至 ESR 也因电容器技术和尺寸而异。电解电容器的 ESR 可能在 0.1 到 5Ω 的量级。较小尺寸的电容器通常具有较高的 ESR。陶瓷圆盘电容器的 ESR 约为 0.1 至 1Ω。

电容值和 ESL 之间的这种联系极大地影响了大电容和小电容的阻抗分布。在低频下，真实电容器的阻抗与其电容有关。在高频下，真实电容器的阻抗大约是其引线电感。 图 4 显示了具有三种不同阻抗曲线的三种不同电容器的示例。他们的一阶模型的组件值可能是：