Une compréhension approfondie des condensateurs de dérivation vous aidera à intégrer correctement ces composants critiques dans vos conceptions.
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Condensateurs, condensateurs partout
Il n’est pas inconcevable qu’un étudiant en ingénierie dévoué et performant obtienne son diplôme en ne sachant presque rien de l’un des composants les plus omniprésents et les plus importants que l’on trouve dans les circuits réels : le condensateur de dérivation. Même les ingénieurs expérimentés ne comprennent pas toujours pourquoi ils incluent des condensateurs céramiques de 0,1 µF à côté de chaque broche d’alimentation de chaque circuit intégré sur chaque carte de circuit imprimé qu’ils conçoivent. Cet article fournit des informations qui vous aideront à comprendre pourquoi les condensateurs de dérivation sont nécessaires et comment ils améliorent les performances des circuits, et un article de suivi se concentrera sur les détails liés au choix des condensateurs de dérivation et aux techniques de disposition du PCB qui maximisent leur efficacité.
Les périls du courant transitoire
Tout composant dans lequel les sorties passent rapidement d’un état à un autre génère des courants transitoires. Lorsque ces courants transitoires sont tirés directement de l’alimentation, des tensions transitoires sont créées en raison de l’impédance de source de l’alimentation ainsi que de l’inductance parasite associée aux fils et aux traces du PCB. Cet effet devient de plus en plus problématique lorsqu’un composant doit piloter une charge à faible résistance ou à forte capacité : les charges à faible résistance créent des transitoires de plus grande amplitude, et les charges à forte capacité peuvent entraîner des sonneries ou même de graves oscillations dans la ligne électrique. Le résultat final peut aller d’une performance sous-optimale du circuit à une défaillance du système.
Explorons brièvement cette question du courant transitoire à l’aide d’une simulation très simple.
Le circuit est le fameux inverseur CMOS, comme le confirme la relation entre la tension d’entrée et de sortie. Bien que la conception éminemment astucieuse de cet inverseur ne nécessite aucun courant en régime permanent, nous devons nous rappeler qu’un courant transitoire important circule lorsque la tension d’entrée traverse la région dans laquelle les deux transistors sont conducteurs. Ce courant crée une perturbation sur l’alimentation en tension de l’onduleur correspondant à la chute de tension à travers la résistance de source (cette simulation utilise 2 Ω, ce qui est à peu près la résistance interne que vous attendriez d’une batterie de 9 V):
Il est vrai que l’ampleur de cette perturbation est très petite, mais rappelez-vous qu’un circuit intégré pourrait contenir des centaines ou des milliers ou des millions d’onduleurs. Sans une dérivation appropriée, l’effet cumulé de tous ces courants transitoires serait une alimentation en tension sérieusement bruyante, voire catastrophiquement instable. Des expériences réalisées par des ingénieurs de Texas Instruments ont démontré qu’un circuit intégré de commande de ligne mal contourné et commutant à 33 MHz entraînait une amplitude de sonnerie aussi élevée que 2 V crête à crête sur un rail d’alimentation de 5 V !
Le tracé suivant montre la tension d’alimentation lorsque le circuit de simulation est étendu pour inclure seulement 8 onduleurs ainsi que 1 nH d’inductance parasite en série avec la résistance de source :
L’ampleur des transitoires a augmenté à presque 0.5 mV, et les deux perturbations présentent un certain comportement oscillatoire:
Les circuits numériques ont certainement une aptitude particulière à dégrader la qualité de l’alimentation, mais les circuits intégrés analogiques ont également besoin de dérivation pour compenser les transitions rapides de sortie et pour les protéger du bruit d’alimentation généré par d’autres dispositifs. Par exemple, le taux de réjection de l’alimentation d’un ampli-op diminue à mesure que le bruit de l’alimentation augmente en fréquence ; cela signifie qu’un ampli-op mal dérivé pourrait créer des perturbations de ligne d’alimentation à haute fréquence qui se propageraient au propre signal de sortie de l’ampli-op.
La solution
Il est pratique qu’un problème aussi grave puisse être résolu efficacement avec un composant simple et largement disponible. Mais pourquoi le condensateur ? Une explication simple est la suivante : Un condensateur stocke une charge qui peut être fournie au CI avec une résistance série très faible et une inductance série très faible. Ainsi, les courants transitoires peuvent être fournis par le condensateur de dérivation (par le biais d’une résistance et d’une inductance minimales) plutôt que par la ligne électrique (par le biais d’une résistance et d’une inductance comparativement importantes). Pour mieux comprendre cela, nous devons revoir certains concepts de base liés à la façon dont un condensateur affecte un circuit.
D’abord, cependant, une brève note sur la terminologie : Les composants abordés dans cet article sont régulièrement appelés à la fois « condensateurs de dérivation » et « condensateurs de découplage ». Il s’agit d’une distinction subtile : le terme « découplage » fait référence à la réduction du degré d’influence d’une partie d’un circuit sur une autre, tandis que le terme « bypass » fait référence à la fourniture d’un chemin à faible impédance qui permet au bruit de « passer » par un CI sur son chemin vers le nœud de masse. Les deux termes peuvent être utilisés correctement car un condensateur de dérivation/découplage accomplit les deux tâches. Dans cet article, cependant, le terme « condensateur de dérivation » est privilégié afin d’éviter toute confusion avec un condensateur de découplage en série utilisé pour bloquer la composante continue d’un signal.
Charge et décharge
L’action fondamentale d’un condensateur est de stocker la charge et de libérer la charge de manière à s’opposer aux changements de tension : Si la tension diminue soudainement, le condensateur fournit du courant à partir de ses plaques chargées pour tenter de maintenir la tension précédente. Si la tension augmente soudainement, les plaques du condensateur stockent la charge du courant généré par l’augmentation de la tension. La simulation simple suivante peut vous aider à visualiser cela :
Notez que le courant est positif (c’est-à-dire qu’il circule de la source à travers R1 vers C1) lorsque le condensateur se charge et négatif (c’est-à-dire, circulant de C1 à travers R1 vers la source) lorsque le condensateur se décharge.
Ce comportement fondamental de charge et de décharge ne change pas selon que le condensateur est exposé à des signaux basse fréquence ou haute fréquence. Cependant, dans une discussion sur le contournement de l’alimentation électrique, il est utile d’analyser l’influence d’un condensateur de deux manières différentes – une pour les situations de basse fréquence et une pour les situations de haute fréquence. Dans un contexte de basse fréquence ou de courant continu, un condensateur de dérivation s’oppose aux changements de la ligne de tension en se chargeant ou en se déchargeant. Le condensateur fonctionne comme une batterie à faible impédance qui peut fournir de petites quantités de courant transitoire. Dans un contexte de haute fréquence, le condensateur est un chemin à faible impédance vers la masse qui protège le CI du bruit haute fréquence sur la ligne électrique.
Une approche standard
L’analyse précédente nous aide à comprendre un schéma de contournement classique : un condensateur de 10 µF à un pouce ou deux du CI, et un condensateur de 0.1 µF en céramique aussi près que possible de la broche d’alimentation:
Le plus grand condensateur lisse les variations de basse fréquence de la tension d’alimentation, et le plus petit condensateur filtre plus efficacement le bruit haute fréquence sur la ligne d’alimentation.
Si nous incorporons ces condensateurs de dérivation dans la simulation de 8 onduleurs discutée ci-dessus, le tintement est éliminé et l’ampleur de la perturbation de tension est réduite de 1 mV à 20 µV:
Idéal contre réalité
À ce stade, vous vous demandez peut-être pourquoi nous avons besoin d’un condensateur de 0,1 µF en plus d’un condensateur de 10 µF. Quelle est la différence entre 10 µF et 10.1 µF ? C’est ici que la discussion sur les condensateurs de bypass devient plus compliquée. L’efficacité d’un schéma de dérivation particulier est étroitement liée à deux des caractéristiques non idéales du condensateur choisi : la résistance série équivalente (ESR) et l’inductance série équivalente (ESL). Dans la simulation que nous venons de mentionner, les condensateurs idéaux parallèles de 10 µF et 0,1 µF ne sont rien de plus qu’un condensateur idéal de 10,1 µF. Pour que la simulation soit un tant soit peu réaliste, nous devons inclure des valeurs raisonnables d’ESR et d’ESL. Avec cette modification, nous obtenons ce qui suit :
Bien qu’il s’agisse encore d’une amélioration par rapport au cas sans condensateurs de dérivation, ces résultats sont nettement moins bons que ce que nous avons vu avec les condensateurs idéaux.
Cette simple simulation ne peut absolument pas tenir compte de toutes les impédances parasites et autres influences subtiles présentes avec de vrais circuits intégrés sur un vrai PCB (en particulier un circuit qui inclut des signaux numériques à haute vitesse). Il s’agit ici de démontrer que la conception d’un réseau de dérivation implique une prise en compte attentive de l’ESR et de l’ESL d’un condensateur. Le placement correct des composants et les techniques de mise en page du PCB sont tout aussi importants. Nous explorerons tous ces détails dans le prochain article.
Prochain article de la série : Une alimentation propre pour chaque circuit intégré, partie 2 : choisir et utiliser vos condensateurs de dérivation
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