Een goed begrip van bypass-condensatoren helpt u om deze kritische componenten op de juiste wijze in uw ontwerpen te integreren.
Artikelen die ondersteunende informatie verschaffen
- AC-condensatorschakelingen
- Capacitor eigenaardigheden
Capacitors, Capacitors Everywhere
Het is niet ondenkbaar dat een toegewijde, succesvolle ingenieursstudent afstudeert aan de universiteit en bijna niets weet over een van de meest doordringende en belangrijke componenten die in echte schakelingen worden aangetroffen: de bypass-condensator. Zelfs ervaren ingenieurs begrijpen misschien niet helemaal waarom ze keramische condensatoren van 0.1 µF plaatsen naast elke voedingspen van elk IC in elk circuitbord dat ze ontwerpen. Dit artikel geeft informatie die u zal helpen begrijpen waarom bypass-condensatoren nodig zijn en hoe ze de circuitprestaties verbeteren, en een vervolgartikel zal zich richten op details met betrekking tot het kiezen van bypass-condensatoren en de PCB-layouttechnieken die hun efficiëntie maximaliseren.
De gevaren van transiënte stromen
Elk component waarin uitgangen snel van de ene toestand naar de andere overgaan, genereert transiënte stromen. Wanneer deze transiënte stromen rechtstreeks aan de voeding worden onttrokken, ontstaan er transiënte spanningen als gevolg van de bronimpedantie van de voeding en de parasitaire inductantie die samenhangt met draden en printsporen. Dit effect wordt steeds problematischer wanneer een component een belasting met lage weerstand of hoge capaciteit moet aandrijven: belastingen met lage weerstand veroorzaken transiënten van grotere magnitude, en belastingen met hoge capaciteit kunnen leiden tot rinkelen of zelfs ernstige oscillaties in de voedingslijn. Het eindresultaat kan van alles zijn, van suboptimale circuitprestaties tot systeemstoring.
Laten we deze kwestie van transiënte stroom kort onderzoeken met behulp van een zeer eenvoudige simulatie.
De schakeling is de beroemde CMOS-inverter, zoals wordt bevestigd door de relatie tussen de ingangs- en uitgangsspanning. Hoewel het uiterst slimme ontwerp van deze inverter geen stationaire stroom vereist, moeten we niet vergeten dat er een aanzienlijke transiënte stroom vloeit wanneer de ingangsspanning door het gebied gaat waarin beide transistors geleiden. Deze stroom veroorzaakt een storing op de voedingsspanning van de omvormer die overeenkomt met de spanningsval over de bronweerstand (in deze simulatie wordt 2 Ω gebruikt, wat ongeveer de interne weerstand is die u zou verwachten van een 9 V batterij):
Het is waar dat de omvang van deze storing zeer klein is, maar vergeet niet dat een geïntegreerde schakeling honderden of duizenden of miljoenen omvormers kan bevatten. Zonder de juiste bypassing zou het cumulatieve effect van al deze transiënte stromen een ernstig lawaaierige – zo niet catastrofaal instabiele – spanningsvoorziening zijn. Experimenten uitgevoerd door ingenieurs bij Texas Instruments toonden aan dat een onjuist gebypassed line driver IC dat schakelde op 33 MHz resulteerde in een belampingsamplitude zo hoog als 2 V piek-tot-piek-op een 5 V voedingsrail!
De volgende plot toont de voedingsspanning wanneer het simulatiecircuit wordt uitgebreid met slechts 8 inverters samen met 1 nH parasitaire inductantie in serie met de bronweerstand:
De omvang van de transiënten is toegenomen tot bijna 0.5 mV, en beide storingen vertonen enig oscillerend gedrag:
Digitale schakelingen hebben zeker een speciale aanleg voor het aantasten van de stroomkwaliteit, maar analoge IC’s hebben ook bypass nodig om te compenseren voor snelle uitgangsovergangen en om ze te beschermen tegen ruis in de voeding die door andere apparaten wordt gegenereerd. Zo neemt bijvoorbeeld de afstootverhouding van een op-amp af naarmate de ruis van de voeding in frequentie toeneemt; dit betekent dat een onjuist gebypasste op-amp hoogfrequente power-line storingen zou kunnen veroorzaken die zich zouden voortplanten naar het eigen uitgangssignaal van de op-amp.
De oplossing
Het is handig dat zo’n ernstig probleem effectief kan worden opgelost met een eenvoudige, overal verkrijgbare component. Maar waarom de condensator? Een eenvoudige verklaring is de volgende: Een condensator slaat lading op die aan het IC kan worden toegevoerd met een zeer lage serieweerstand en een zeer lage serie-inductie. Op die manier kunnen transiënte stromen worden geleverd door de bypass-condensator (met minimale weerstand en inductie) in plaats van door de voedingslijn (met relatief grote weerstand en inductie). Om dit beter te begrijpen, moeten we enkele basisbegrippen herzien met betrekking tot de wijze waarop een condensator een schakeling beïnvloedt.
Eerst echter een korte opmerking over de terminologie: De componenten die in dit artikel worden besproken, worden regelmatig aangeduid als zowel “bypass-condensatoren” als “ontkoppelingscondensatoren”. Er is hier een subtiel onderscheid-“ontkoppeling” verwijst naar het verminderen van de mate waarin een deel van een schakeling een ander deel beïnvloedt, en “bypass” verwijst naar het verschaffen van een pad met lage impedantie dat ruis toestaat een IC te “passeren” op zijn weg naar de massaknoop. Beide termen kunnen correct worden gebruikt omdat een bypass/ontkoppelcondensator beide taken vervult. In dit artikel wordt echter de voorkeur gegeven aan “bypass-condensator” om verwarring te voorkomen met een serie-ontkoppelingscondensator die wordt gebruikt om de DC-component van een signaal te blokkeren.
Opladen en ontladen
De fundamentele actie van een condensator is het opslaan van lading en het afgeven van lading op een zodanige manier dat het veranderingen in spanning tegengaat: Als de spanning plotseling afneemt, levert de condensator stroom van zijn geladen platen in een poging de vorige spanning te handhaven. Als de spanning plotseling toeneemt, slaan de platen van de condensator lading op van de stroom die door de toegenomen spanning wordt opgewekt. De volgende eenvoudige simulatie kan u helpen dit te visualiseren:
Merk op dat de stroom positief is (d.w.z. van de bron door R1 naar C1 vloeit) wanneer de condensator zich oplaadt en negatief (d.w.z, stroomt van C1 door R1 naar de bron) wanneer de condensator ontlaadt.
Dit fundamentele laad- en ontlaadgedrag verandert niet naargelang de condensator wordt blootgesteld aan laagfrequente of hoogfrequente signalen. Bij een bespreking van het omzeilen van de voeding is het echter nuttig de invloed van een condensator op twee verschillende manieren te analyseren – één voor laagfrequente situaties en één voor hoogfrequente situaties. In een laagfrequente of gelijkstroomcontext gaat een bypass-condensator veranderingen in de spanningslijn tegen door op te laden of te ontladen. De condensator werkt als een batterij met lage impedantie die kleine hoeveelheden stroom van voorbijgaande aard kan leveren. In een hoogfrequente context is de condensator een laagohmig pad naar aarde dat het IC beschermt tegen hoogfrequente ruis op de voedingslijn.
Een standaard aanpak
De voorgaande analyse helpt ons om een klassiek bypass schema te begrijpen: een 10 µF condensator binnen een inch of twee van het IC, en een 0.1 µF keramische condensator zo dicht mogelijk bij de voedingspen:
De grotere condensator vlakt laagfrequente variaties in de voedingsspanning af, en de kleinere condensator filtert hoogfrequente ruis op de voedingslijn doeltreffender uit.
Als we deze bypass-condensatoren opnemen in de 8-inverter simulatie die hierboven is besproken, wordt de ringing geëlimineerd en wordt de grootte van de spanningsstoring verminderd van 1 mV tot 20 µV:
Ideaal vs. Werkelijkheid
Op dit punt vraagt u zich misschien af waarom we een condensator van 0,1 µF nodig hebben in aanvulling op een condensator van 10 µF. Wat is het verschil tussen 10 µF en 10.1 µF? Dit is waar de bypass-cap discussie ingewikkelder wordt. De doeltreffendheid van een bepaald bypass-schema hangt nauw samen met twee niet-ideale kenmerken van de gekozen condensator: de equivalente serieweerstand (ESR) en de equivalente serie-inductantie (ESL). In de zojuist genoemde simulatie worden de parallelle ideale condensatoren van 10 µF en 0,1 µF niets meer dan een ideale condensator van 10,1 µF. Om de simulatie ook maar in de buurt van realistisch te laten komen, moeten we redelijke waarden voor ESR en ESL opnemen. Met deze wijziging krijgen we het volgende:
Hoewel dit nog steeds een verbetering is vergeleken met het geval zonder bypass-condensatoren, zijn deze resultaten beduidend slechter dan wat we zagen met de ideale condensatoren.
Deze eenvoudige simulatie kan onmogelijk rekening houden met alle parasitaire impedanties en andere subtiele invloeden die aanwezig zijn in echte geïntegreerde schakelingen op een echte PCB (vooral één die digitale signalen met hoge snelheid bevat). Het gaat er hier om aan te tonen dat bij het ontwerpen van een bypass-netwerk zorgvuldig rekening moet worden gehouden met de ESR en ESL van een condensator. Even belangrijk zijn de juiste plaatsing van componenten en PCB-layouttechnieken. Al deze details komen in het volgende artikel aan de orde.
Volgende artikel in serie: Schone stroom voor elk IC, deel 2: Bypass-condensatoren kiezen en gebruiken