Una comprensione approfondita dei condensatori di bypass vi aiuterà a incorporare correttamente questi componenti critici nei vostri progetti.
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Non è inconcepibile che uno studente di ingegneria impegnato e di successo si laurei al college senza sapere quasi nulla di uno dei componenti più pervasivi e importanti che si trovano nei circuiti reali: il condensatore di bypass. Anche gli ingegneri esperti potrebbero non comprendere appieno il motivo per cui includono condensatori ceramici da 0,1 µF accanto a ogni pin di alimentazione di ogni circuito integrato in ogni scheda di circuito che progettano. Questo articolo fornisce informazioni che vi aiuteranno a capire perché i condensatori di bypass sono necessari e come migliorano le prestazioni del circuito, e un articolo successivo si concentrerà sui dettagli relativi alla scelta dei condensatori di bypass e alle tecniche di layout del PCB che massimizzano la loro efficacia.
I pericoli della corrente transitoria
Ogni componente in cui le uscite passano rapidamente da uno stato all’altro genererà correnti transitorie. Quando queste correnti transitorie sono prelevate direttamente dall’alimentazione, si creano tensioni transitorie come risultato dell’impedenza di sorgente dell’alimentazione e dell’induttanza parassita associata ai fili e alle tracce del PCB. Questo effetto è sempre più problematico quando un componente deve pilotare un carico a bassa resistenza o ad alta capacità: i carichi a bassa resistenza creano transienti di maggiore ampiezza, e i carichi ad alta capacità possono portare a squilli o persino a gravi oscillazioni nella linea di alimentazione. Il risultato finale può essere qualsiasi cosa, dalle prestazioni subottimali del circuito al fallimento del sistema.
Esploriamo brevemente questo problema della corrente transitoria usando una simulazione molto semplice.
Il circuito è il famoso inverter CMOS, come confermato dalla relazione tra la tensione di ingresso e di uscita. Anche se il design eminentemente intelligente di questo inverter non richiede alcuna corrente di stato stazionario, dobbiamo ricordare che una significativa corrente transitoria scorre quando la tensione di ingresso passa attraverso la regione in cui entrambi i transistor sono in conduzione. Questa corrente crea un disturbo sulla tensione di alimentazione dell’inverter corrispondente alla caduta di tensione attraverso la resistenza di origine (questa simulazione usa 2 Ω, che è circa la resistenza interna che ci si aspetta da una batteria da 9 V):
È vero che la grandezza di questo disturbo è molto piccola, ma ricordate che un circuito integrato potrebbe contenere centinaia o migliaia o milioni di inverter. Senza un adeguato bypass, l’effetto cumulativo di tutte queste correnti transitorie sarebbe un’alimentazione di tensione seriamente rumorosa, se non catastroficamente instabile. Gli esperimenti eseguiti dagli ingegneri della Texas Instruments hanno dimostrato che un circuito integrato line driver con bypass improprio che commutava a 33 MHz ha prodotto un’ampiezza del ringing pari a 2 V picco-picco su una linea di alimentazione di 5 V!
Il seguente grafico mostra la tensione di alimentazione quando il circuito di simulazione viene ampliato per includere solo 8 inverter insieme a 1 nH di induttanza parassita in serie alla resistenza di origine:
La grandezza dei transienti è aumentata a quasi 0,5 mV.5 mV, ed entrambi i disturbi mostrano un comportamento oscillatorio:
I circuiti digitali hanno certamente una particolare attitudine a degradare la qualità dell’alimentazione, ma anche i circuiti integrati analogici hanno bisogno di un bypass per compensare le rapide transizioni di uscita e per proteggerli dal rumore di alimentazione generato da altri dispositivi. Per esempio, il rapporto di reiezione dell’alimentazione di un op-amp diminuisce quando il rumore dell’alimentazione aumenta in frequenza; questo significa che un op-amp impropriamente bypassato potrebbe creare disturbi ad alta frequenza della linea di alimentazione che si propagherebbero al segnale di uscita dell’op-amp stesso.
La soluzione
È conveniente che un problema così serio possa essere efficacemente risolto con un componente semplice e ampiamente disponibile. Ma perché il condensatore? Una spiegazione diretta è la seguente: Un condensatore immagazzina la carica che può essere fornita all’IC con una resistenza in serie molto bassa e un’induttanza in serie molto bassa. Così, le correnti transitorie possono essere fornite dal condensatore di bypass (attraverso una resistenza e un’induttanza minime) invece che dalla linea di alimentazione (attraverso una resistenza e un’induttanza relativamente grandi). Per capire meglio questo, abbiamo bisogno di rivedere alcuni concetti di base relativi a come un condensatore influenza un circuito.
Prima, però, una breve nota sulla terminologia: I componenti discussi in questo articolo sono regolarmente chiamati sia “condensatori di bypass” che “condensatori di disaccoppiamento”. C’è una sottile distinzione qui – “disaccoppiamento” si riferisce a ridurre il grado in cui una parte di un circuito ne influenza un’altra, e “bypass” si riferisce a fornire un percorso a bassa impedenza che permette al rumore di “passare” un circuito integrato sulla sua strada verso il nodo di terra. Entrambi i termini possono essere usati correttamente perché un condensatore di bypass/disaccoppiamento compie entrambi i compiti. In questo articolo, tuttavia, si preferisce “condensatore di bypass” per evitare confusione con un condensatore di disaccoppiamento in serie usato per bloccare la componente DC di un segnale.
Carica e scarica
L’azione fondamentale di un condensatore è immagazzinare e rilasciare la carica in modo tale da opporsi ai cambiamenti di tensione: se la tensione diminuisce improvvisamente, il condensatore fornisce corrente dalle sue piastre cariche nel tentativo di mantenere la tensione precedente. Se la tensione aumenta improvvisamente, le piastre del condensatore immagazzinano la carica dalla corrente generata dall’aumento di tensione. La seguente semplice simulazione può aiutarti a visualizzare questo:
Nota che la corrente è positiva (cioè scorre dalla sorgente attraverso R1 a C1) quando il condensatore si sta caricando e negativa (cioè che scorre da C1 attraverso R1 alla sorgente) quando il condensatore si sta scaricando.
Questo comportamento fondamentale di carica e scarica non cambia a seconda che il condensatore sia esposto a segnali a bassa frequenza o ad alta frequenza. Tuttavia, in una discussione sul bypass dell’alimentazione, è utile analizzare l’influenza di un condensatore in due modi diversi: uno per situazioni a bassa frequenza e uno per situazioni ad alta frequenza. In un contesto a bassa frequenza o DC, un condensatore di bypass si oppone ai cambiamenti nella linea di tensione caricandosi o scaricandosi. Il condensatore funziona come una batteria a bassa impedenza che può fornire piccole quantità di corrente transitoria. In un contesto ad alta frequenza, il condensatore è un percorso a bassa impedenza verso terra che protegge l’IC dal rumore ad alta frequenza sulla linea di alimentazione.
Un approccio standard
L’analisi precedente ci aiuta a capire un classico schema di bypass: un condensatore da 10 µF entro un pollice o due dall’IC, e un condensatore ceramico da 0. 1 µF vicino all’IC.1 µF il più vicino possibile al pin di alimentazione:
Il condensatore più grande smorza le variazioni a bassa frequenza nella tensione di alimentazione, e il condensatore più piccolo filtra più efficacemente il rumore ad alta frequenza sulla linea di alimentazione.
Se incorporiamo questi condensatori di bypass nella simulazione dell’8-inverter discusso sopra, il ringing viene eliminato e l’ampiezza del disturbo di tensione si riduce da 1 mV a 20 µV:
Ideale vs. Realtà
A questo punto vi starete chiedendo perché abbiamo bisogno di un condensatore da 0,1 µF oltre a un condensatore da 10 µF. Qual è la differenza tra 10 µF e 10,1 µF? È qui che la discussione sul condensatore di bypass diventa più complicata. L’efficacia di un particolare schema di bypass è strettamente legata a due caratteristiche non ideali del condensatore scelto: la resistenza serie equivalente (ESR) e l’induttanza serie equivalente (ESL). Nella simulazione appena menzionata, i condensatori ideali da 10 µF e 0,1 µF in parallelo non diventano altro che un condensatore ideale da 10,1 µF. Per rendere la simulazione quasi realistica, dobbiamo includere valori ragionevoli di ESR e ESL. Con questa modifica, abbiamo quanto segue:
Anche se è ancora un miglioramento rispetto al caso senza condensatori di bypass, questi risultati sono significativamente peggiori di quelli che abbiamo visto con i condensatori ideali.
Questa semplice simulazione non può tenere conto di tutte le impedenze parassite e altre sottili influenze presenti nei veri circuiti integrati su un vero PCB (specialmente uno che include segnali digitali ad alta velocità). Il punto qui è dimostrare che progettare una rete di bypass comporta un’attenta considerazione dell’ESR e dell’ESL di un condensatore. Altrettanto importanti sono il corretto posizionamento dei componenti e le tecniche di layout del PCB. Esploreremo tutti questi dettagli nel prossimo articolo.
Prossimo articolo della serie: Potenza pulita per ogni circuito integrato, parte 2: scegliere e usare i condensatori di bypass