Dokładne zrozumienie kondensatorów bocznikujących pomoże Ci prawidłowo włączyć te krytyczne elementy do Twoich projektów.
Artykuły dostarczające informacji pomocniczych
- Obwody kondensatorów prądu przemiennego
- Zagadki kondensatorów
Kondensatory, kondensatory wszędzie
Nie jest wykluczone, że oddany, odnoszący sukcesy student inżynierii ukończy studia, nie wiedząc prawie nic o jednym z najbardziej wszechobecnych i najważniejszych komponentów występujących w prawdziwych obwodach: kondensatorze bocznikowym. Nawet doświadczeni inżynierowie mogą nie do końca rozumieć, dlaczego umieszczają kondensatory ceramiczne 0,1 µF obok każdego pinu zasilania każdego układu scalonego w każdej płytce drukowanej, którą projektują. Ten artykuł zawiera informacje, które pomogą Ci zrozumieć, dlaczego kondensatory bocznikujące są niezbędne i jak poprawiają wydajność obwodu, a następny artykuł skupi się na szczegółach związanych z wyborem kondensatorów bocznikujących i technikach rozmieszczenia na płytce PCB, które maksymalizują ich skuteczność.
Zagrożenia prądem przejściowym
Każdy komponent, w którym wyjścia szybko przechodzą z jednego stanu do drugiego, generuje prądy przejściowe. Gdy te prądy przejściowe są pobierane bezpośrednio z zasilacza, powstają napięcia przejściowe w wyniku impedancji źródła zasilania, jak również pasożytniczej indukcyjności związanej z przewodami i ścieżkami na płytce drukowanej. Efekt ten staje się coraz bardziej problematyczny, gdy komponent musi napędzać obciążenie o niskiej rezystancji lub wysokiej pojemności: obciążenia o niskiej rezystancji tworzą transjenty o wyższej amplitudzie, a obciążenia o wysokiej pojemności mogą prowadzić do dzwonienia lub nawet poważnych oscylacji w linii zasilania. Efektem końcowym może być wszystko, od nieoptymalnej wydajności obwodu po awarię systemu.
Przeanalizujmy pokrótce tę kwestię prądu przejściowego za pomocą bardzo prostej symulacji.
Obwód to słynna przetwornica CMOS, co potwierdza zależność między napięciem wejściowym i wyjściowym. Chociaż wybitnie sprytna konstrukcja tej przetwornicy nie wymaga prądu w stanie ustalonym, to musimy pamiętać, że płynie w niej znaczny prąd przejściowy, gdy napięcie wejściowe przechodzi przez obszar, w którym oba tranzystory przewodzą. Ten prąd tworzy zaburzenie na napięciu zasilania przetwornicy odpowiadające spadkowi napięcia na rezystancji źródła (w tej symulacji użyto 2 Ω, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi rezystancja wewnętrzna, której można by się spodziewać po baterii 9 V):
To prawda, że wielkość tego zaburzenia jest bardzo mała, ale pamiętajmy, że układ scalony może zawierać setki, tysiące lub miliony przetwornic. Bez właściwego obejścia, skumulowany efekt wszystkich tych prądów przejściowych byłby poważnie hałaśliwy – jeśli nie katastrofalnie niestabilny – zasilacz napięcia. Eksperymenty przeprowadzone przez inżynierów z Texas Instruments wykazały, że nieprawidłowo ominięty układ scalony sterownika liniowego przełączający się z częstotliwością 33 MHz powodował amplitudę dzwonienia sięgającą 2 V od szczytu do szczytu na szynie zasilającej 5 V!
Następny wykres pokazuje napięcie zasilania, gdy obwód symulacyjny został rozszerzony o zaledwie 8 falowników wraz z 1 nH pasożytniczej indukcyjności szeregowo z rezystancją źródła:
Wielkość stanów przejściowych wzrosła do prawie 0.5 mV, a oba zakłócenia wykazują pewne zachowanie oscylacyjne:
Układy cyfrowe z pewnością mają szczególne predyspozycje do pogarszania jakości zasilania, ale analogowe układy scalone również potrzebują bocznikowania, aby skompensować szybkie przejścia na wyjściu i chronić je przed szumem zasilania generowanym przez inne urządzenia. Na przykład, współczynnik odrzucania zasilania op-ampa maleje wraz ze wzrostem częstotliwości szumów zasilania; oznacza to, że nieprawidłowo bocznikowany op-amp może tworzyć zakłócenia linii zasilającej o wysokiej częstotliwości, które będą propagować do własnego sygnału wyjściowego op-ampa.
Rozwiązanie
To wygodne, że tak poważny problem może być skutecznie rozwiązany za pomocą prostego, powszechnie dostępnego komponentu. Ale dlaczego kondensator? Proste wyjaśnienie jest następujące: Kondensator przechowuje ładunek, który może być dostarczony do układu scalonego o bardzo małej rezystancji szeregowej i bardzo małej indukcyjności szeregowej. W ten sposób prądy przejściowe mogą być dostarczane z kondensatora bocznikującego (przez minimalną rezystancję i indukcyjność) zamiast z linii zasilającej (przez stosunkowo dużą rezystancję i indukcyjność). Aby lepiej to zrozumieć, musimy przejrzeć kilka podstawowych pojęć związanych z tym, jak kondensator wpływa na obwód.
Najpierw jednak krótka uwaga na temat terminologii: Komponenty omawiane w tym artykule są regularnie określane zarówno jako „kondensatory bocznikujące”, jak i „kondensatory odsprzęgające”. Istnieje tutaj subtelne rozróżnienie – „odsprzęganie” odnosi się do zmniejszenia stopnia, w jakim jedna część układu wpływa na inną, a „bypass” odnosi się do zapewnienia ścieżki o niskiej impedancji, która pozwala szumowi „przejść” przez układ scalony w drodze do węzła masy. Oba terminy mogą być poprawnie użyte, ponieważ kondensator bocznikujący/odsprzęgający realizuje oba zadania. W tym artykule, jednak „kondensator obejścia” jest preferowane w celu uniknięcia pomyłki z kondensatorem odsprzęgającym serii używane do blokowania składowej DC sygnału.
Ładowanie i rozładowywanie
Podstawowym działaniem kondensatora jest przechowywanie ładunku i uwalnianie ładunku w taki sposób, że przeciwstawia się zmianom napięcia: Jeśli napięcie nagle spada, kondensator dostarcza prąd z jego naładowanych płyt w próbie utrzymania poprzedniego napięcia. Jeśli napięcie nagle wzrośnie, płyty kondensatora gromadzą ładunek z prądu wytworzonego przez zwiększone napięcie. Poniższa prosta symulacja może pomóc w wizualizacji tego zjawiska:
Zauważ, że prąd jest dodatni (tj. płynie ze źródła przez R1 do C1), gdy kondensator się ładuje, a ujemny (tj, płynący z C1 przez R1 do źródła), gdy kondensator jest discharging.
To podstawowe ładowanie i rozładowywanie zachowanie nie zmienia się w zależności od tego, czy kondensator jest narażony na niskiej częstotliwości lub wysokiej częstotliwości sygnałów. Jednak w dyskusji na temat obejścia zasilania, pomocne jest, aby przeanalizować wpływ kondensatora na dwa różne sposoby – jeden dla sytuacji o niskiej częstotliwości i jeden dla sytuacji o wysokiej częstotliwości. W kontekście niskiej częstotliwości lub prądu stałego, kondensator bocznikujący przeciwstawia się zmianom w linii napięcia poprzez ładowanie lub rozładowywanie. Kondensator działa jak bateria o niskiej impedancji, która może dostarczać niewielkie ilości prądu przejściowego. W kontekście wysokiej częstotliwości, kondensator jest niskoimpedancyjną ścieżką do masy, która chroni układ scalony przed szumem wysokiej częstotliwości na linii zasilania.
Standardowe podejście
Powyższa analiza pomaga nam zrozumieć klasyczny schemat obejścia: kondensator 10 µF w odległości cala lub dwóch od układu scalonego i kondensator ceramiczny 0.1 µF kondensator ceramiczny jak najbliżej końcówki mocy:
Większy kondensator wygładza zmiany napięcia zasilania o niższej częstotliwości, a mniejszy kondensator skuteczniej odfiltrowuje szumy o wysokiej częstotliwości na linii zasilania.
Jeśli włączymy te kondensatory bocznikujące do symulacji 8-inwerterów omówionej powyżej, dzwonienie zostanie wyeliminowane, a wielkość zakłóceń napięcia zmniejszy się z 1 mV do 20 µV:
Idealne vs. Rzeczywistość
W tym momencie możesz się zastanawiać, dlaczego potrzebujemy kondensatora 0,1 µF oprócz kondensatora 10 µF. Jaka jest różnica między 10 µF a 10.1 µF? W tym miejscu dyskusja na temat kondensatorów bocznikujących staje się bardziej skomplikowana. Skuteczność danego schematu bocznikowania jest ściśle związana z dwiema nieidealnymi charakterystykami wybranego kondensatora: zastępczą rezystancją szeregową (ESR) i zastępczą indukcyjnością szeregową (ESL). W symulacji, o której właśnie wspomniałem, równoległe idealne kondensatory 10 µF i 0,1 µF stają się niczym więcej niż idealnym kondensatorem 10,1 µF. Aby symulacja była choć trochę realistyczna, musimy uwzględnić rozsądne wartości ESR i ESL. Z tą modyfikacją, mamy następujące wyniki:
Choć nadal jest to poprawa w porównaniu do przypadku bez kondensatorów bocznikujących, te wyniki są znacznie gorsze niż to co widzieliśmy z idealnymi kondensatorami.
Ta prosta symulacja nie może prawdopodobnie uwzględniać wszystkich pasożytniczych impedancji i innych subtelnych wpływów obecnych w prawdziwych układach scalonych na prawdziwej płytce PCB (zwłaszcza takiej, która zawiera szybkie sygnały cyfrowe). Chodzi o to, aby pokazać, że projektowanie sieci bocznikującej wymaga starannego rozważenia ESR i ESL kondensatora. Równie ważne jest właściwe rozmieszczenie elementów i techniki rozmieszczenia na płytce drukowanej. Wszystkie te szczegóły omówimy w następnym artykule.
Następny artykuł w serii: Czyste zasilanie dla każdego układu scalonego, część 2: Wybór i wykorzystanie kondensatorów bocznikujących