En grundig forståelse af bypass-kondensatorer vil hjælpe dig med at integrere disse kritiske komponenter korrekt i dine designs.
Artikler, der giver understøttende oplysninger
- AC Capacitor Circuits
- Capacitor Quirks
Capacitors, Capacitors Everywhere
Det er ikke utænkeligt, at en engageret, succesfuld ingeniørstuderende afslutter sin uddannelse med at vide næsten ingenting om en af de mest gennemgående og vigtige komponenter, der findes i rigtige kredsløb: bypass-kondensatoren. Selv erfarne ingeniører forstår måske ikke helt, hvorfor de medtager 0,1 µF keramiske kondensatorer ved siden af hver power pin på hvert enkelt IC i hvert eneste printkort, de designer. Denne artikel indeholder oplysninger, der vil hjælpe dig med at forstå, hvorfor bypass-kondensatorer er nødvendige, og hvordan de forbedrer kredsløbets ydeevne, og en opfølgende artikel vil fokusere på detaljer vedrørende valg af bypass-kondensatorer og de PCB-layoutteknikker, der maksimerer deres effektivitet.
Farerne ved transientstrøm
Alle komponenter, hvor udgange overgår hurtigt fra en tilstand til en anden, vil generere transientstrømme. Når disse transiente strømme trækkes direkte fra strømforsyningen, skabes der transiente spændinger som følge af strømforsyningens kildeimpedans samt parasitær induktans i forbindelse med ledninger og printbaner. Denne effekt bliver stadig mere problematisk, når en komponent skal drive en belastning med lav modstand eller høj kapacitet: belastninger med lav modstand skaber transienter af større størrelse, og belastninger med høj kapacitet kan føre til ringning eller endog alvorlige svingninger i strømledningen. Slutresultatet kan være alt fra suboptimal kredsløbsydelse til systemfejl.
Lad os kort undersøge dette spørgsmål om transientstrøm ved hjælp af en meget simpel simulering.
Kredsløbet er den berømte CMOS-inverter, hvilket bekræftes af forholdet mellem indgangs- og udgangsspænding. Selv om den eminent smarte konstruktion af denne inverter ikke kræver nogen stationær strøm, skal vi huske, at der flyder en betydelig transient strøm, når indgangsspændingen passerer gennem det område, hvor begge transistorer er ledende. Denne strøm skaber en forstyrrelse på inverterens spændingsforsyning svarende til spændingsfaldet over kildemodstanden (i denne simulering anvendes 2 Ω, hvilket er omtrent den interne modstand, man kan forvente af et 9 V-batteri):
Det er rigtigt, at størrelsen af denne forstyrrelse er meget lille, men husk, at et integreret kredsløb kan indeholde hundredvis eller tusindvis eller millioner af invertere. Uden en ordentlig bypassing ville den kumulative virkning af alle disse transiente strømme være en alvorligt støjende – om ikke katastrofalt ustabil – spændingsforsyning. Eksperimenter udført af ingeniører hos Texas Instruments viste, at et ukorrekt bypasset linjedriver-IC, der skiftede ved 33 MHz, resulterede i ringingamplitude så høj som 2 V peak-to-peak – på en 5 V strømskinne!
Det følgende plot viser forsyningsspændingen, når simulationskredsløbet udvides til at omfatte blot 8 invertere sammen med 1 nH parasitær induktans i serie med kildemodstanden:
Størrelsen af transienterne er steget til næsten 0.5 mV, og begge forstyrrelser udviser en vis oscillerende adfærd:
Digitale kredsløb har helt sikkert en særlig evne til at forringe strømkvaliteten, men analoge IC’er har også brug for bypassing for at kompensere for hurtige udgangsovergange og for at beskytte dem mod strømforsyningsstøj, der genereres af andre enheder. For eksempel falder en op-amps strømforsyningsafvisningsforhold i takt med, at strømforsyningsstøjen stiger i frekvens; det betyder, at en ukorrekt bypasset op-amp kan skabe højfrekvente strømlinjestørrelser, som vil forplante sig til op-ampens eget udgangssignal.
Løsningen
Det er praktisk, at et så alvorligt problem kan løses effektivt med en simpel, almindeligt tilgængelig komponent. Men hvorfor kondensatoren? En ligefrem forklaring er følgende: En kondensator lagrer ladning, som kan tilføres IC’en med meget lav seriemodstand og meget lav serieinduktans. Således kan transiente strømme tilføres fra bypass-kondensatoren (gennem minimal modstand og induktans) i stedet for fra strømledningen (gennem forholdsvis stor modstand og induktans). For bedre at forstå dette er vi nødt til at gennemgå nogle grundlæggende begreber i forbindelse med, hvordan en kondensator påvirker et kredsløb.
Først dog en kort bemærkning om terminologi: De komponenter, der diskuteres i denne artikel, omtales jævnligt som både “bypass-kondensatorer” og “afkoblingskondensatorer”. Der er en subtil forskel her – “afkobling” refererer til at reducere graden, hvormed en del af et kredsløb påvirker en anden, og “bypass” refererer til at tilvejebringe en lavimpedansvej, der tillader støj at “passere forbi” en IC på vej til jordknuden. Begge udtryk kan bruges korrekt, fordi en bypass/afkoblingskondensator udfører begge opgaver. I denne artikel foretrækkes dog “bypass-kondensator” for at undgå forveksling med en serieafkoblingskondensator, der bruges til at blokere DC-komponenten af et signal.
Ladning og afladning
Den grundlæggende handling af en kondensator er at lagre ladning og frigive ladning på en sådan måde, at den modvirker ændringer i spændingen: Hvis spændingen pludselig falder, leverer kondensatoren strøm fra sine ladede plader i et forsøg på at opretholde den tidligere spænding. Hvis spændingen pludselig stiger, lagrer kondensatorens plader ladning fra den strøm, der genereres af den øgede spænding. Følgende enkle simulering kan hjælpe dig med at visualisere dette:
Bemærk, at strømmen er positiv (dvs. strømmen løber fra kilden gennem R1 til C1), når kondensatoren oplades, og negativ (dvs, strømmer fra C1 gennem R1 til kilden), når kondensatoren aflader.
Denne grundlæggende opladnings- og afladningsadfærd ændres ikke, alt efter om kondensatoren udsættes for lavfrekvente eller højfrekvente signaler. I en diskussion om bypassing af strømforsyningen er det imidlertid nyttigt at analysere en kondensators indflydelse på to forskellige måder – en for lavfrekvenssituationer og en for højfrekvenssituationer. I en lavfrekvent eller DC-sammenhæng modvirker en bypass-kondensator ændringer i spændingslinjen ved opladning eller afladning. Kondensatoren fungerer som et lavimpedansbatteri, der kan levere små mængder af transient strøm. I en højfrekvent sammenhæng er kondensatoren en lavimpedansvej til jord, der beskytter IC’en mod højfrekvent støj på spændingsledningen.
En standardtilgang
Den foregående analyse hjælper os til at forstå en klassisk bypass-ordning: en 10 µF kondensator inden for en tomme eller to fra IC’en og en 0.1 µF keramisk kondensator så tæt på strømforsyningsstiften som muligt:
Den større kondensator udjævner lavfrekvente variationer i forsyningsspændingen, og den mindre kondensator filtrerer mere effektivt højfrekvent støj på strømledningen.
Hvis vi indarbejder disse bypass-kondensatorer i den ovenfor omtalte 8-inverter-simulering, elimineres ringningen, og størrelsen af spændingsforstyrrelsen reduceres fra 1 mV til 20 µV:
Ideal vs. Reality
På dette tidspunkt undrer du dig måske over, hvorfor vi har brug for en 0,1 µF-kondensator ud over en 10 µF-kondensator. Hvad er forskellen mellem 10 µF og 10,1 µF? Det er her, at diskussionen om bypass-kondensatorer bliver mere kompliceret. Effektiviteten af en bestemt bypass-ordning er tæt forbundet med to af den valgte kondensators ikke-ideelle egenskaber: ækvivalent seriemodstand (ESR) og ækvivalent serieinduktans (ESL). I den netop nævnte simulering bliver de parallelle ideelle kondensatorer på 10 µF og 0,1 µF ikke til andet end en ideel kondensator på 10,1 µF. For at gøre simuleringen nogenlunde realistisk er vi nødt til at medtage rimelige værdier for ESR og ESL. Med denne ændring får vi følgende:
Og selv om det stadig er en forbedring i forhold til tilfældet uden bypass-kondensatorer, er disse resultater betydeligt dårligere end det, vi så med de ideelle kapsler.
Denne simple simulering kan umuligt tage højde for alle de parasitære impedanser og andre subtile påvirkninger, der er til stede i virkelige integrerede kredsløb på et virkeligt printkort (især et, der indeholder digitale højhastighedssignaler). Pointen her er at vise, at udformning af et bypass-netværk indebærer nøje overvejelse af en kondensators ESR og ESL. Lige så vigtigt er korrekt komponentplacering og PCB-layoutteknikker. Vi vil undersøge alle disse detaljer i den næste artikel.
Næste artikel i serien: Ren strøm til alle IC’er, del 2: Valg og brug af dine bypass-kondensatorer