Ein gründliches Verständnis von Bypass-Kondensatoren wird Ihnen helfen, diese kritischen Komponenten richtig in Ihre Entwürfe einzubauen.
Artikel mit weiterführenden Informationen
- Wechselstromkondensatorschaltungen
- Kondensatortricks
Kondensatoren, Kondensatoren überall
Es ist nicht unvorstellbar, dass ein engagierter, erfolgreicher Ingenieurstudent sein Studium abschließt und fast nichts über eines der am häufigsten vorkommenden und wichtigsten Bauteile in realen Schaltungen weiß: den Bypass-Kondensator. Selbst erfahrene Ingenieure verstehen vielleicht nicht ganz, warum sie 0,1-µF-Keramikkondensatoren neben jedem Power-Pin eines jeden ICs in jeder von ihnen entworfenen Leiterplatte einbauen. In diesem Artikel finden Sie Informationen, die Ihnen helfen werden zu verstehen, warum Bypass-Kondensatoren notwendig sind und wie sie die Leistung von Schaltungen verbessern. Ein Folgeartikel wird sich auf Details im Zusammenhang mit der Auswahl von Bypass-Kondensatoren und den Leiterplatten-Layout-Techniken konzentrieren, die ihre Wirksamkeit maximieren.
Die Gefahren des Einschwingstroms
Jedes Bauteil, bei dem Ausgänge schnell von einem Zustand in einen anderen übergehen, erzeugt Einschwingströme. Wenn diese transienten Ströme direkt von der Stromversorgung entnommen werden, entstehen transiente Spannungen als Ergebnis der Quellenimpedanz der Stromversorgung sowie der parasitären Induktivität in Verbindung mit Kabeln und Leiterbahnen. Dieser Effekt wird zunehmend problematisch, wenn ein Bauteil eine niederohmige oder hochkapazitive Last antreiben muss: niederohmige Lasten erzeugen Transienten mit höherer Amplitude, und hochkapazitive Lasten können zu Klingeln oder sogar starken Schwingungen in der Stromleitung führen. Das Ergebnis kann von einer suboptimalen Schaltungsleistung bis hin zum Systemausfall reichen.
Lassen Sie uns dieses Problem des transienten Stroms anhand einer sehr einfachen Simulation kurz untersuchen.
Die Schaltung ist der berühmte CMOS-Inverter, wie das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bestätigt. Obwohl der äußerst clevere Aufbau dieses Inverters keinen stationären Strom erfordert, müssen wir bedenken, dass ein erheblicher transienter Strom fließt, wenn die Eingangsspannung den Bereich durchläuft, in dem beide Transistoren leitend sind. Dieser Strom erzeugt eine Störung in der Spannungsversorgung des Wechselrichters, die dem Spannungsabfall am Quellwiderstand entspricht (in dieser Simulation werden 2 Ω verwendet, was in etwa dem Innenwiderstand entspricht, den man bei einer 9-V-Batterie erwarten würde):
Es stimmt zwar, dass die Größe dieser Störung sehr gering ist, aber bedenken Sie, dass eine integrierte Schaltung Hunderte, Tausende oder Millionen von Wechselrichtern enthalten kann. Ohne eine angemessene Überbrückung würde die kumulative Wirkung all dieser transienten Ströme zu einer stark verrauschten, wenn nicht gar katastrophal instabilen Spannungsversorgung führen. Experimente, die von Ingenieuren bei Texas Instruments durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass ein unsachgemäß überbrückter Leitungstreiber-IC, der mit 33 MHz schaltet, zu einer Klingelamplitude von bis zu 2 V Spitze-Spitze führt – und das bei einer Versorgungsspannung von 5 V!
Das folgende Diagramm zeigt die Versorgungsspannung, wenn die Simulationsschaltung auf nur 8 Wechselrichter zusammen mit einer parasitären Induktivität von 1 nH in Reihe mit dem Quellwiderstand erweitert wird:
Das Ausmaß der Transienten hat sich auf fast 0.5 mV, und beide Störungen weisen ein gewisses oszillatorisches Verhalten auf:
Digitale Schaltungen haben sicherlich eine besondere Begabung für die Verschlechterung der Stromversorgungsqualität, aber auch analoge ICs benötigen einen Bypass, um schnelle Ausgangsübergänge zu kompensieren und sie vor Stromversorgungsstörungen zu schützen, die von anderen Geräten erzeugt werden. Das bedeutet, dass ein unsachgemäß überbrückter Operationsverstärker hochfrequente Netzstörungen erzeugen kann, die sich auf das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ausbreiten.
Die Lösung
Es ist praktisch, dass ein so schwerwiegendes Problem mit einem einfachen, weithin erhältlichen Bauteil wirksam gelöst werden kann. Aber warum der Kondensator? Eine einfache Erklärung ist die folgende: Ein Kondensator speichert Ladung, die dem IC mit sehr geringem Serienwiderstand und sehr geringer Serieninduktivität zugeführt werden kann. So können transiente Ströme vom Bypass-Kondensator (durch minimalen Widerstand und Induktivität) anstatt von der Stromleitung (durch vergleichsweise großen Widerstand und Induktivität) geliefert werden. Um dies besser zu verstehen, müssen wir einige grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit der Wirkung eines Kondensators auf eine Schaltung überprüfen.
Zunächst jedoch eine kurze Anmerkung zur Terminologie: Die in diesem Artikel besprochenen Komponenten werden regelmäßig sowohl als „Bypass-Kondensatoren“ als auch als „Entkopplungskondensatoren“ bezeichnet. Hier gibt es einen feinen Unterschied: „Entkoppeln“ bedeutet, den Einfluss eines Teils einer Schaltung auf einen anderen zu verringern, und „Bypass“ bedeutet, einen niederohmigen Pfad bereitzustellen, der es Rauschen ermöglicht, einen IC auf seinem Weg zum Masseknoten zu „umgehen“. Beide Begriffe können korrekt verwendet werden, da ein Bypass/Entkopplungskondensator beide Aufgaben erfüllt. In diesem Artikel wird jedoch der Begriff „Bypass-Kondensator“ bevorzugt, um Verwechslungen mit einem seriellen Entkopplungskondensator zu vermeiden, der zum Abblocken der Gleichstromkomponente eines Signals verwendet wird.
Laden und Entladen
Die grundlegende Funktion eines Kondensators ist das Speichern von Ladung und das Freigeben von Ladung in einer Weise, dass er Spannungsänderungen entgegenwirkt: Wenn die Spannung plötzlich abnimmt, liefert der Kondensator Strom von seinen geladenen Platten in dem Versuch, die vorherige Spannung beizubehalten. Steigt die Spannung plötzlich an, speichern die Platten des Kondensators Ladung aus dem Strom, der durch die erhöhte Spannung erzeugt wird. Die folgende einfache Simulation kann Ihnen helfen, dies zu veranschaulichen:
Beachten Sie, dass der Strom positiv ist (d.h. von der Quelle durch R1 zu C1 fließt), wenn der Kondensator geladen wird, und negativ (d.h.,
Dieses grundlegende Lade- und Entladeverhalten ändert sich nicht, je nachdem, ob der Kondensator nieder- oder hochfrequenten Signalen ausgesetzt ist. Bei der Diskussion über die Überbrückung von Stromversorgungen ist es jedoch hilfreich, den Einfluss eines Kondensators auf zwei verschiedene Arten zu analysieren – einmal für niederfrequente Situationen und einmal für hochfrequente Situationen. In einem Niederfrequenz- oder Gleichstromkontext wirkt ein Bypass-Kondensator Änderungen in der Spannungsleitung durch Aufladen oder Entladen entgegen. Der Kondensator funktioniert wie eine Batterie mit niedriger Impedanz, die kleine Mengen an transientem Strom liefern kann. In einem Hochfrequenzkontext ist der Kondensator ein niederohmiger Pfad zur Erde, der den IC vor Hochfrequenzrauschen auf der Stromleitung schützt.
Ein Standardansatz
Die vorstehende Analyse hilft uns, ein klassisches Bypass-Schema zu verstehen: ein 10-µF-Kondensator innerhalb von ein oder zwei Zoll vom IC und ein 0.1 µF-Keramikkondensator so nah wie möglich am Power-Pin:
Der größere Kondensator glättet niederfrequente Schwankungen der Versorgungsspannung, und der kleinere Kondensator filtert hochfrequentes Rauschen auf der Stromleitung effektiver heraus.
Wenn wir diese Bypass-Kondensatoren in die oben besprochene 8-Wechselrichter-Simulation einbeziehen, wird das Klingeln eliminiert und die Größe der Spannungsstörung wird von 1 mV auf 20 µV reduziert:
Ideal vs. Realität
An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht, warum wir einen 0,1 µF-Kondensator zusätzlich zu einem 10 µF-Kondensator benötigen. Was ist der Unterschied zwischen 10 µF und 10,1 µF? An dieser Stelle wird die Diskussion über Bypass-Kondensatoren komplizierter. Die Wirksamkeit eines bestimmten Bypass-Schemas hängt eng mit zwei nicht idealen Eigenschaften des gewählten Kondensators zusammen: dem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und der äquivalenten Serieninduktivität (ESL). In der gerade erwähnten Simulation werden die parallelen 10 µF und 0,1 µF idealen Kondensatoren zu nichts anderem als einem 10,1 µF idealen Kondensator. Um die Simulation annähernd realistisch zu gestalten, müssen wir vernünftige Werte für ESR und ESL einbeziehen. Mit dieser Änderung ergibt sich folgendes Bild:
Auch wenn diese Ergebnisse immer noch eine Verbesserung gegenüber dem Fall ohne Bypass-Kondensatoren darstellen, so sind sie doch deutlich schlechter als die Ergebnisse, die wir mit den idealen Kondensatoren gesehen haben.
Diese einfache Simulation kann unmöglich alle parasitären Impedanzen und andere subtile Einflüsse berücksichtigen, die bei realen integrierten Schaltungen auf einer realen Leiterplatte vorhanden sind (insbesondere bei einer, die digitale Hochgeschwindigkeitssignale enthält). Es geht hier darum zu zeigen, dass beim Entwurf eines Bypass-Netzwerks der ESR und die ESL eines Kondensators sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Ebenso wichtig sind die richtige Platzierung der Komponenten und die Techniken des PCB-Layouts. Auf all diese Details werden wir im nächsten Artikel eingehen.
Nächster Artikel der Serie: Saubere Leistung für jeden IC, Teil 2: Auswahl und Verwendung von Bypass-Kondensatoren