Syvällinen ymmärrys ohituskondensaattoreista auttaa sinua sisällyttämään nämä kriittiset komponentit oikein malleihisi.
Tukitietoa tarjoavat artikkelit
- AC-kondensaattoripiirit
- Kondensaattorin omituisuudet
Kondensaattorit, kondensaattorit kaikkialla
Ei ole käsittämätöntä, että vannoutunut, menestyvä insinööriopiskelija valmistuu korkeakoulusta tietämättä melkeinpä yhtään mitään yhdestä todellisissa virtapiireissä esiintyvästä ja tärkeimmästä komponenteista: ohituskondensaattorista. Jopa kokeneet insinöörit eivät ehkä täysin ymmärrä, miksi he sisällyttävät 0,1 µF:n keraamisia kondensaattoreita jokaisen suunnittelemansa piirilevyn jokaisen IC:n jokaisen virtatapin viereen. Tässä artikkelissa annetaan tietoa, joka auttaa sinua ymmärtämään, miksi ohituskondensaattorit ovat välttämättömiä ja miten ne parantavat piirin suorituskykyä, ja myöhemmässä artikkelissa keskitytään ohituskondensaattoreiden valintaan liittyviin yksityiskohtiin ja piirilevyjen asettelutekniikoihin, jotka maksimoivat niiden tehokkuuden.
Transienttivirran vaarat
Jokainen komponentti, jonka lähdöt siirtyvät nopeasti tilasta toiseen, tuottaa transienttivirtoja. Kun nämä transienttivirrat otetaan suoraan virtalähteestä, syntyy transienttijännitteitä virtalähteen lähdeimpedanssin sekä johtimiin ja piirilevyn jälkiin liittyvän loisinduktanssin seurauksena. Tämä vaikutus on yhä ongelmallisempi, kun komponentin on ohjattava matalaresistanssista tai suurkapasitanssista kuormaa: matalaresistanssiset kuormat synnyttävät suurempia transientteja, ja suurkapasitanssiset kuormat voivat aiheuttaa soimista tai jopa vakavia värähtelyjä virtajohdossa. Lopputuloksena voi olla mitä tahansa piirin suboptimaalisesta suorituskyvystä järjestelmän vikaantumiseen.
Tarkastellaan lyhyesti tätä transienttivirran ongelmaa hyvin yksinkertaisen simulaation avulla.
Piiri on kuuluisa CMOS-invertteri, kuten tulo- ja lähtöjännitteen välinen suhde vahvistaa. Vaikka tämän invertterin erinomaisen fiksu rakenne ei vaadi tasaista virtaa, on muistettava, että merkittävä transienttivirta kulkee, kun tulojännite kulkee alueen läpi, jossa molemmat transistorit johtavat. Tämä virta aiheuttaa invertterin jännitteensyöttöön häiriön, joka vastaa jännitehäviötä lähderesistanssin yli (tässä simulaatiossa käytetään 2 Ω, joka on suunnilleen yhtä suuri sisäinen resistanssi kuin 9 V:n paristolta odotetaan):
On totta, että tämän häiriön suuruusluokka on hyvin pieni, mutta pitää muistaa, että integroitu piiri voi sisältää satoja tai tuhansia tai miljoonia inverttereitä. Ilman asianmukaista ohitusta kaikkien näiden transienttivirtojen kumulatiivinen vaikutus olisi erittäin meluisa – ellei jopa katastrofaalisen epävakaa – jännitesyöttö. Texas Instrumentsin insinöörien tekemät kokeet osoittivat, että 33 MHz:n taajuudella kytkevä, väärin ohitettu linjakäyttökytkin IC johti jopa 2 V:n piikkihuippuamplitudiin – 5 V:n virtakiskolla!
Seuraavassa kuvaajassa on esitetty syöttöjännite, kun simulointipiiriä laajennetaan niin, että se sisältää vain 8 invertteriä sekä 1 nH:n suuruisen loisinduktanssin, joka on kytketty sarjaan lähdön vastusresistanssin kanssa:
Transienttien voimakkuus on noussut melkein 0:een.5 mV, ja molemmissa häiriöissä on havaittavissa jonkin verran oskilloivaa käyttäytymistä:
Digitaalisilla piireillä on varmasti erityinen taipumus heikentää virranlaatua, mutta myös analogiset IC:t tarvitsevat ohituksia kompensoidakseen nopeita ulostulonsiirtymiä ja suojatakseen niitä muiden laitteiden synnyttämältä virtalähteen kohinalta. Esimerkiksi operaatiovahvistimen virtalähteen hylkäyssuhde pienenee, kun virtalähteen kohinan taajuus kasvaa; tämä tarkoittaa, että väärin ohitettu operaatiovahvistin voi aiheuttaa korkeataajuisia virransyöttöjohdon häiriöitä, jotka etenevät operaatiovahvistimen omaan lähtösignaaliin.
Ratkaisu
On kätevää, että näin vakava ongelma voidaan tehokkaasti ratkaista yksinkertaisella, laajalti saatavilla olevalla komponentilla. Mutta miksi kondensaattori? Suora selitys on seuraava: Kondensaattori varastoi varauksen, joka voidaan syöttää IC:lle hyvin pienellä sarjavastuksella ja hyvin pienellä sarjainduktanssilla. Siten ohituskondensaattorista voidaan syöttää transienttivirtoja (minimaalisen resistanssin ja induktanssin kautta) eikä virtajohdosta (suhteellisen suuren resistanssin ja induktanssin kautta). Ymmärtääksemme tämän paremmin meidän on tarkasteltava joitakin peruskäsitteitä, jotka liittyvät siihen, miten kondensaattori vaikuttaa piiriin.
Ensin kuitenkin lyhyt huomautus terminologiasta: Tässä artikkelissa käsiteltyihin komponentteihin viitataan säännöllisesti sekä ”ohituskondensaattoreina” että ”irrotuskondensaattoreina”. Tässä on hienovarainen ero – ”erottaminen” viittaa siihen, että piirin yksi osa vaikuttaa toiseen, ja ”ohitus” viittaa matalan impedanssin polun tarjoamiseen, joka sallii kohinan ”ohittaa” IC:n matkalla maasolmuun. Molempia termejä voidaan käyttää oikein, koska ohitus-/poistokondensaattori suorittaa molemmat tehtävät. Tässä artikkelissa suositaan kuitenkin termiä ”ohituskondensaattori”, jotta vältetään sekaannus sarjassa olevaan purkauskondensaattoriin, jota käytetään signaalin DC-komponentin estämiseen.
Lataaminen ja purkaminen
Kondensaattorin perustoiminta on varauksen varastoiminen ja varauksen luovuttaminen siten, että se vastustaa jännitteen muutoksia: Jos jännite yhtäkkiä laskee, kondensaattori syöttää virtaa ladatuista levyistään yrittäen ylläpitää aikaisempaa jännitettä. Jos jännite yhtäkkiä kasvaa, kondensaattorin levyt varastoivat varausta kasvaneen jännitteen tuottamasta virrasta. Seuraava yksinkertainen simulaatio voi auttaa sinua havainnollistamaan tätä:
Huomaa, että virta on positiivinen (eli virtaa lähteestä R1:n kautta C1:een), kun kondensaattori latautuu, ja negatiivinen (eli, virtaa C1:stä R1:n kautta lähteeseen), kun kondensaattori purkautuu.
Tämä perustavanlaatuinen lataus- ja purkautumiskäyttäytyminen ei muutu sen mukaan, altistetaanko kondensaattoriin matala- vai suurtaajuisia signaaleja. Virtalähteen ohitusta koskevassa keskustelussa on kuitenkin hyödyllistä analysoida kondensaattorin vaikutusta kahdella eri tavalla – toinen matalataajuustilanteissa ja toinen korkeataajuustilanteissa. Matalataajuus- tai tasavirtakontekstissa ohituskondensaattori vastustaa jännitelinjan muutoksia latautumalla tai purkautumalla. Kondensaattori toimii kuin matalaimpedanssinen akku, joka voi syöttää pieniä määriä ohimenevää virtaa. Korkeataajuisessa yhteydessä kondensaattori on matalaimpedanssinen reitti maahan, joka suojaa IC:tä jännitelinjan korkeataajuisilta häiriöiltä.
Vakiolähestymistapa
Edellinen analyysi auttaa meitä ymmärtämään klassisen ohituskaavion: 10 µF:n kondensaattori tuuman tai parin päässä IC:stä, ja 0.1 µF:n keraaminen kondensaattori mahdollisimman lähellä virtapiikkiä:
Kookkaampi kondensaattori tasoittaa syöttöjännitteen matalataajuisia vaihteluita, ja pienempi kondensaattori suodattaa tehokkaammin virtajohdon korkeataajuista kohinaa.
Jos otamme nämä ohituskondensaattorit mukaan edellä käsiteltyyn 8-invertterin simulointiin, soiminen poistuu ja jännitehäiriön suuruus pienenee 1 mV:sta 20 µV:iin:
Ideaalinen vs. todellisuus
Tässä vaiheessa saatat ihmetellä, miksi tarvitsemme 10 µF:n kondensaattorin lisäksi 0,1 µF:n kondensaattorin. Mitä eroa on 10 µF:n ja 10,1 µF:n välillä? Tässä kohtaa bypass-kondensaattorikeskustelu muuttuu monimutkaisemmaksi. Tietyn ohitusjärjestelmän tehokkuus liittyy läheisesti kahteen valitun kondensaattorin epäideaaliseen ominaisuuteen: ekvivalentti sarjavastus (ESR) ja ekvivalentti sarjainduktanssi (ESL). Äsken mainitussa simulaatiossa rinnakkaisista 10 µF:n ja 0,1 µF:n ideaalikondensaattoreista tulee vain 10,1 µF:n ideaalikondensaattori. Jotta simulaatiosta tulisi lähellekään realistinen, meidän on otettava mukaan kohtuulliset ESR:n ja ESL:n arvot. Tällä muutoksella saamme seuraavat tulokset:
Vaikka nämä tulokset ovat edelleen parannus verrattuna tapaukseen, jossa ei ole ohituskondensaattoreita, ne ovat huomattavasti huonompia kuin mitä näimme ihanteellisilla kondensaattoreilla.
Tässä yksinkertaisessa simulaatiossa ei voida mitenkään ottaa huomioon kaikkia loisimpedansseja ja muita hienovaraisia vaikutuksia, joita esiintyy todellisissa integroiduissa piireissä todellisella piirilevyllä (varsinkaan sellaisessa, joka sisältää nopeita digitaalisia signaaleja). Tarkoituksena on osoittaa, että ohitusverkon suunnitteluun kuuluu kondensaattorin ESR:n ja ESL:n huolellinen huomioon ottaminen. Yhtä tärkeää on komponenttien oikea sijoittelu ja piirilevyn asettelutekniikat. Tutustumme kaikkiin näihin yksityiskohtiin seuraavassa artikkelissa.
Sarjan seuraava artikkeli: Osa 2: Ohituskondensaattoreiden valinta ja käyttö