バイパス コンデンサを完全に理解することは、これらの重要なコンポーネントを設計に適切に組み込むのに役立ちます。
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実際の回路で見られる最も広く普及し重要な部品であるパス コンデンサについてほとんど何も知らずに大学を卒業することは考えられせんが、熱心で合格した工学部の学生なら、このようなことはないでしょう。 経験豊富なエンジニアでさえ、設計するすべての回路基板のすべてのICの電源ピンの横に0.1 µFのセラミックコンデンサを配置する理由を十分に理解していないかもしれません。 この記事では、バイパス コンデンサが必要な理由と、バイパス コンデンサがどのように回路性能を向上させるかを理解するのに役立つ情報を提供し、次の記事では、バイパス コンデンサの選択に関する詳細と、その効果を最大化する PCB レイアウト テクニックに焦点を当てます。 これらの過渡電流が電源から直接引き出される場合、電源のソース インピーダンスや、ワイヤーおよび PCB トレースに関連する寄生インダクタンスの結果として、過渡電圧が発生します。 低抵抗負荷はより大きな過渡電流を発生させ、高容量負荷は電源ラインのリンギングや激しい振動を引き起こす可能性があるのだ。
入出力電圧の関係から、この回路は有名な CMOS インバータであることが確認できます。 このインバータは非常に巧妙な設計で定常電流は不要だが、入力電圧が両方のトランジスタが導通している領域を通過するときに大きな過渡電流が流れることを覚えておく必要がある。 この電流は、ソース抵抗の電圧降下 (このシミュレーションでは 2 Ω を使用。9 V バッテリーで期待される内部抵抗とほぼ同じ) に対応するインバータの電圧供給の乱れを生じます。 適切なバイパス処理がなければ、これらすべての過渡電流の累積効果は、破滅的に不安定とは言わないまでも、非常に騒々しい電圧供給となるでしょう。 Texas Instruments 社のエンジニアによる実験では、33 MHz でスイッチングするライン ドライバ IC の不適切なバイパス処理により、5 V のパワー レールでピーク トゥ ピーク 2 V のリンギング振幅が発生しました！
次のプロットは、シミュレーション回路にわずか 8 つのインバータと、ソース抵抗と直列の 1 nH の寄生インダクタンスまで拡張した場合の電源電圧です。5 mV に増加し、両方の妨害はいくつかの発振動作を示します。
デジタル回路は確かに電源品質を劣化させる特別な適性がありますが、アナログ IC もまた、急速な出力遷移を補正し、他のデバイスによって生成される電源ノイズから保護するためにバイパス処理を必要とします。 たとえば、オペアンプの電源除去比は電源ノイズの周波数が高くなると低下します。これは、オペアンプのバイパス処理が不適切だと、高周波の電力線障害を引き起こし、オペアンプの出力信号にまで伝搬する可能性があることを意味します。 しかし、なぜコンデンサーなのでしょうか。 簡単に説明すると、次のようになります。 コンデンサは、非常に低い直列抵抗と非常に低い直列インダクタンスでICに供給することができる電荷を蓄積します。 そのため、電源ライン（比較的大きな抵抗とインダクタンス）からではなく、バイパスコンデンサ（最小の抵抗とインダクタンス）から過渡電流を供給することができるのです。 このことをよりよく理解するために、コンデンサーが回路にどのように影響するかに関するいくつかの基本概念を確認する必要があります。
しかし、最初に、用語について簡単に注意してください。 この記事で説明するコンポーネントは、通常、「バイパス・コンデンサ」と「デカップリング・コンデンサ」の両方と呼ばれることがあります。 デカップリング」は、回路のある部分が別の部分に影響を与える度合いを減らすことを意味し、「バイパス」は、ノイズがグランド ノードに向かう途中で IC を「通過」させる低インピーダンスの経路を提供することを意味します。 バイパス／デカップリングコンデンサは両方の役割を果たすため、どちらの用語も正しく使用することができます。
充電と放電
コンデンサの基本動作は、電圧の変化に対抗するように電荷を蓄え、放出することです。 電圧が急に下がると、コンデンサは充電した板から電流を供給し、前の電圧を維持しようとします。電圧が急に上がると、コンデンサの板は電圧の上昇によって発生した電流を蓄えます。
コンデンサが充電しているときは電流は正（すなわち、ソースからR1を通ってC1に流れる）、負（すなわち、,
この基本的な充放電動作は、コンデンサが低周波信号または高周波信号にさらされるかどうかによって変わることはありません。 しかし、電源バイパスに関する議論では、コンデンサの影響を低周波の場合と高周波の場合の2つの異なる方法で分析することが有用である。 低周波またはDCの場合、バイパスコンデンサは充電または放電によって、電圧ラインの変化に対抗する。 このコンデンサは、低インピーダンスのバッテリーのように機能し、少量の過渡電流を供給することができます。 高周波数環境では、コンデンサは、電源ライン上の高周波ノイズから IC を保護するグランドへの低インピーダンス経路となります。
大きいコンデンサは電源電圧の低周波数の変動を滑らかにし、小さいコンデンサは電源ラインの高周波数ノイズをより効果的にフィルタリングします。
これらのバイパス コンデンサーを前述の 8 インバーター シミュレーションに組み込むと、リンギングは解消され、電圧妨害の大きさは 1 mV から 20 µV に減少します：
理想と現実
この時点で、なぜ 10µF コンデンサーに加え 0.1µF コンデンサーが必要かとお考えではないでしょうか。 10µFと10.1µFの違いは何でしょうか。 ここで、バイパス・キャップの議論がより複雑になってきます。 特定のバイパス方式の有効性は、選択したコンデンサの2つの非理想的特性、等価直列抵抗（ESR）と等価直列インダクタンス（ESL）と密接に関係しているのだ。 先ほどのシミュレーションでは、10µFと0.1µFの理想的なコンデンサを並列に並べたものが、10.1µFの理想的なコンデンサに過ぎないということになります。 このシミュレーションを現実的なものにするためには、ESRとESLを適切な値にする必要があります。 この変更により、次のようになります。
バイパス コンデンサーがない場合に比べればまだ改善されますが、これらの結果は、理想的なコンデンサーで見たものよりかなり悪いです。
この単純なシミュレーションでは、実際の PCB 上の集積回路に存在する寄生インピーダンスやその他の微妙な影響 (特に高速デジタル信号が含まれているもの) を考慮できない可能性があります。 ここでのポイントは、バイパス ネットワークの設計には、コンデンサの ESR と ESL を慎重に考慮する必要があることを示すことです。 同様に、適切な部品配置とPCBレイアウト技術も重要です。 次回は、これらの詳細について説明します。
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