电路设计中电容的选择

1.电容的作用

[1.1. 滤波（Filtering）------ "电路的筛子"](#1.1. 滤波（Filtering）—— “电路的筛子”)

[1.2. 去耦/旁路（Decoupling/Bypass）------ "局部小金库"](#1.2. 去耦/旁路（Decoupling/Bypass）—— “局部小金库”)

[1.3. 延时/定时（Timing）------ "电路的沙漏"](#1.3. 延时/定时（Timing）—— “电路的沙漏”)

[1.4. 耦合/隔直（Coupling/DC Blocking）------ "只传话，不过人"](#1.4. 耦合/隔直（Coupling/DC Blocking）—— “只传话，不过人”)

2.实例

[第一部分：为什么图中选了 0.1µF？](#第一部分：为什么图中选了 0.1µF？)

第二部分：平时设计时，电容一般怎么选？

[1. 选容值 (Value) ------ 看用途](#1. 选容值 (Value) —— 看用途)

[2. 选耐压 (Voltage Rating) ------ 也就是"降额"](#2. 选耐压 (Voltage Rating) —— 也就是“降额”)

[3. 选封装 (Package/Size)](#3. 选封装 (Package/Size))

总结建议

1.电容的作用

电容（Capacitor）是电路中最基础、最重要的元件之一。如果把电流比作水流，电容就是一个"蓄水池"或者"减震器"。

在电子设计中，电容的作用千变万化，但归根结底主要有以下 4 大核心作用。结合你的 FPGA 复位电路（C128），我们可以具体来看：

1.1. 滤波（Filtering）------ "电路的筛子"

这是电容最常见的用途。

原理： 电容有一个特性叫"通高频，阻低频"。高频的噪声信号（像毛刺、静电干扰）很容易通过电容流到地（GND），而直流信号（比如稳定的 3.3V）过不去。
作用： 把电路里那些不干净的"杂质"（噪声）过滤掉，只留下干净的信号或电源。
场景： 在复位引脚上，C128 会把空气中感应到的瞬间尖峰电压（比如有人在旁边打手机产生的干扰）直接短路到地，防止 FPGA 莫名其妙地误复位。

1.2. 去耦/旁路（Decoupling/Bypass）------ "局部小金库"

这是你在每一个芯片的电源引脚旁边都会看到的电容（通常是 0.1µF）。

原理： 芯片工作时，电流忽大忽小（一下要吃很多电，一下又不吃）。电源线太长，供电反应不过来。
作用： 电容就像一个这就近的"临时蓄水池"。
- 当芯片突然需要大电流时，电容先放电给它吃（补水）。
- 当电压高了，电容就充电存起来（蓄水）。
效果： 保证芯片电压稳定，不会因为电压波动而死机。

对于FPGA的电源轨则是有特殊的要求：

这张原理图显示的是 FPGA 的 VCCO_0 （Bank 0 的 I/O 电压）电源引脚上的一个电容 C124 (47uF, 1210封装) 。选用 47uF 这么大容量的电容，主要有以下几个核心原因：

1. 它是"大容量去耦电容" (Bulk Decoupling Capacitor)

在 FPGA 的电源设计中，电容通常分为两类，它们的职责不同，需要搭配使用：

小电容 (如 0.1uF, 0.47uF): 负责滤除高频噪声，响应速度极快，通常紧挨着芯片引脚放置（如你上一张图里的 C122）。

大电容 (如 47uF, 100uF): 负责提供瞬态电流 和滤除低频纹波。这就是 C124 的角色。

2. Xilinx 官方设计指南的推荐 (UG483)

您的芯片型号 xc7k325t 属于 Xilinx Kintex-7 系列。根据 Xilinx 7 系列 FPGA 的 PCB 设计指南 (UG483 - 7 Series FPGAs PCB Design Guide)，官方对 VCCO 电源轨的去耦有明确建议：

推荐规范： 每个 Bank 通常需要配置一个 47uF 或 100uF 的大电容作为"Bulk电容"，以及若干个小电容（如 4.7uF 或 0.47uF）。

这个 47uF 电容就像一个**"本地小水库"**。当 FPGA 内部逻辑突然翻转，或者多个 I/O 口同时输出高电平时，电流需求会瞬间激增。远处的电源模块（Regulator）反应不过来，这时候必须靠这个 47uF 电容里的存电先顶上去，防止电压瞬间跌落（Voltage Sag），导致系统复位或工作异常。

3. VCCO_0 的特殊性（配置 Bank）

原理图中的网络名是 VCCO_0 。在 7 系列 FPGA 中，Bank 0 非常关键，它包含了所有的配置引脚（JTAG, SPI, SelectMAP 等）。

如果 VCCO_0 电压不稳，FPGA 可能无法从 Flash 加载程序，或者 JTAG 调试会断开。

因此，在这个 Bank 放一个足量的 47uF 电容是标准操作，确保配置过程极其稳定。

4. 为什么是 C1210 封装？

容量与体积的平衡： 要在陶瓷电容（MLCC）中做到 47uF 这么大的容量，同时还要保证耐压（比如 6.3V 或 10V）和材质（通常用 X5R 或 X7R 以保证温漂小），0603 或 0805 封装通常做不到（或者太贵、降额太严重）。

低 ESR： 相比于以前常用的钽电容（黄色长方体），现代设计更倾向于使用 1210 封装的大容量陶瓷电容，因为它们的等效串联电阻 (ESR) 更低，对电源纹波的吸收效果更好。

总结

这个 47uF / 1210 电容的作用是 作为 VCCO_0 电源轨的本地储能池。它严格遵循了 Xilinx Kintex-7 的官方硬件设计规范，目的是为了应对低频瞬态电流需求，保证 FPGA 核心配置 Bank (Bank 0) 的电压绝对稳定。

1.3. 延时/定时（Timing）------ "电路的沙漏"

这是RC电路的原理。

原理： 电容充电和放电是需要时间的，这个时间由电阻（R）和电容（C）的大小决定（）。
作用：
- 按键消抖（Debouncing）： 当你按下 SW2 时，机械弹片会发生几毫秒的物理抖动。如果没有电容，FPGA 会读到"101010101"好几次变化。有了电容，电压会缓慢下降或上升，把抖动"平滑"掉，变成一个干净的信号。
- 上电复位： 刚通电时，电容需要时间充电，这能让复位信号保持低电平一小会儿，等电源彻底稳定了再释放复位，确保机器安全启动。

1.4. 耦合/隔直（Coupling/DC Blocking）------ "只传话，不过人"

这在音频和射频电路中很常见。

原理： 电容是断开的，直流电（DC）流不过去，但是交流信号（AC，比如声音信号、数据信号）可以通过感应过去。
作用： 连接两个电路模块。让交流信号传过去，但把两边的直流电压隔离开，互不影响。
口诀： "隔直通交"（隔绝直流，通过交流）。

2.实例

这是一个非常经典的 按键消抖（Debouncing） 和 抗干扰滤波 电容。

针对图中的 C128 (0.1µF / 6.3V / 0402) 以及通用的电容选型，可以分两部分来讲：

第一部分：为什么图中选了 0.1µF？

在这个电路（FPGA 复位按键）中，电容的作用有两个：

1.滤除高频噪声（防误触）：

FPGA 的复位引脚 PROGRAM_B 非常敏感。如果空气中有电磁干扰（比如手机信号、静电），引脚上可能会感应出一个极短的尖峰电压。如果没有电容，FPGA 可能会误以为你要复位，导致死机。

0.1µF (100nF) 是电子设计中最标准的"高频滤除值"，它能把这些极短的毛刺直接短路到地。

2.按键硬件消抖（Debouncing）：

机械按键按下时，金属弹片会"抖动"，在几毫秒内产生一连串的断断续续的信号（像敲鼓一样）。

电容配合电阻 R93 (4.7kΩ) 组成了一个 RC 延时电路。
计算公式： 。
效果： 虽然 0.47ms 的时间常数对于彻底消除人手按键的抖动（通常需要 10ms~20ms）来说有点偏小，但它能平滑掉最尖锐的毛刺，配合 FPGA 内部的逻辑，足以保证复位信号干净稳定。

第二部分：平时设计时，电容一般怎么选？

选电容通常看 "三要素" ：容值（容量）、耐压、封装。

1. 选容值 (Value) ------ 看用途

不用死记硬背，记住这三个"黄金标准"：

电源滤波/去耦 (Decoupling) ------ 最常用
- 标准配置： 每一个芯片的电源引脚旁边，都要放一个 0.1µF (104)。
- 大水塘： 在电源入口处，或者芯片特别耗电时，并联一个大的 10µF 或 47µF。
- 口诀：大电容滤低频（稳压），小电容滤高频（去噪）。
按键/复位电路 (RC Circuit)
- 就像你图里这样。一般选 0.1µF ~ 1µF。
- 如果是复位引脚（RESET），0.1µF 是最通用的标准值。
晶振负载 (Crystal)
- 非常小，通常在 10pF ~ 22pF 之间（具体看晶振手册）。

2. 选耐压 (Voltage Rating) ------ 也就是"降额"

这是新手最容易踩的坑。陶瓷电容（MLCC）有一个特性：电压越高，实际容量越小（DC Bias Effect）。

黄金法则：耐压值 >= 2倍的工作电压。
- 3.3V 电路： 至少选 6.3V 的电容（如图中所示），最好选 10V 或 16V。如果你选 4V 的电容，实际容量可能剩下一半都不到。
- 5V 电路： 选 10V 或 16V。
- 12V 电路： 选 25V 或 50V。

3. 选封装 (Package/Size)

0603 (最推荐)： 手工焊接最舒服的大小，大小适中。
0402 (图中用的)： 比较小（像沙子一样），省空间，但是手工焊接需要镊子和好眼力。手机、FPGA核心板常用。
0805 / 1206： 个头大，通常用于大容量电容（如 10µF, 22µF）。

总结建议

针对FPGA 复位电路：

C128 选 0.1µF 是非常标准且正确的工程选择（兼顾了滤噪和一定的消抖）。
耐压 6.3V 对于 3.3V 电源来说是"及格"的，如果物料库里有 10V 或 16V 的同规格电容，用耐压高的会更好（容量更足，寿命更长）。

以上就是本次笔记的内容。