Un conocimiento profundo de los condensadores de bypass le ayudará a incorporar correctamente estos componentes críticos en sus diseños.
Artículos que proporcionan información de apoyo
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Condensadores, condensadores por todas partes
No es inconcebible que un estudiante de ingeniería dedicado y con éxito se gradúe de la universidad sin saber casi nada sobre uno de los componentes más omnipresentes e importantes que se encuentran en los circuitos reales: el condensador de derivación. Incluso los ingenieros experimentados pueden no entender del todo por qué incluyen condensadores cerámicos de 0,1 µF junto a cada pin de alimentación de cada CI en cada placa de circuito que diseñan. Este artículo proporciona información que le ayudará a entender por qué son necesarios los condensadores de derivación y cómo mejoran el rendimiento del circuito, y un artículo posterior se centrará en los detalles relacionados con la elección de los condensadores de derivación y las técnicas de diseño de PCB que maximizan su eficacia.
Los peligros de la corriente transitoria
Cualquier componente en el que las salidas pasen rápidamente de un estado a otro generará corrientes transitorias. Cuando estas corrientes transitorias se extraen directamente de la fuente de alimentación, se crean tensiones transitorias como resultado de la impedancia de la fuente de alimentación, así como de la inductancia parásita asociada a los cables y las trazas de la PCB. Este efecto es cada vez más problemático cuando un componente debe alimentar una carga de baja resistencia o alta capacidad: las cargas de baja resistencia crean transitorios de mayor magnitud, y las cargas de alta capacidad pueden provocar zumbidos o incluso graves oscilaciones en la línea de alimentación. El resultado final puede ser cualquier cosa, desde un rendimiento subóptimo del circuito hasta un fallo del sistema.
Exploremos brevemente esta cuestión de la corriente transitoria utilizando una simulación muy sencilla.
El circuito es el famoso inversor CMOS, como confirma la relación entre la tensión de entrada y la de salida. Aunque el diseño eminentemente inteligente de este inversor no requiere corriente de estado estacionario, debemos recordar que fluye una corriente transitoria significativa cuando la tensión de entrada pasa por la región en la que ambos transistores están conduciendo. Esta corriente crea una perturbación en el suministro de voltaje del inversor correspondiente a la caída de voltaje a través de la resistencia de la fuente (esta simulación utiliza 2 Ω, que es más o menos la resistencia interna que se espera de una batería de 9 V):
Es cierto que la magnitud de esta perturbación es muy pequeña, pero recuerde que un circuito integrado podría contener cientos o miles o millones de inversores. Sin una derivación adecuada, el efecto acumulado de todas estas corrientes transitorias sería un suministro de tensión muy ruidoso, si no catastróficamente inestable. Los experimentos realizados por los ingenieros de Texas Instruments demostraron que un circuito integrado de conductor de línea mal puenteado que conmutaba a 33 MHz daba lugar a una amplitud de timbre de hasta 2 V pico a pico, en un carril de alimentación de 5 V.
El siguiente gráfico muestra la tensión de alimentación cuando el circuito de simulación se amplía para incluir sólo 8 inversores junto con 1 nH de inductancia parásita en serie con la resistencia de la fuente:
La magnitud de los transitorios ha aumentado hasta casi 0.5 mV, y ambas perturbaciones muestran cierto comportamiento oscilatorio:
Los circuitos digitales tienen ciertamente una aptitud especial para degradar la calidad de la energía, pero los circuitos integrados analógicos también necesitan una derivación para compensar las rápidas transiciones de salida y para protegerlos del ruido de la fuente de alimentación generado por otros dispositivos. Por ejemplo, la relación de rechazo de la fuente de alimentación de un amplificador óptico disminuye a medida que el ruido de la fuente de alimentación aumenta en frecuencia; esto significa que un amplificador óptico mal puenteado podría crear perturbaciones de alta frecuencia en la línea de alimentación que se propagarían a la propia señal de salida del amplificador óptico.
La solución
Es conveniente que un problema tan grave pueda resolverse eficazmente con un componente sencillo y ampliamente disponible. Pero, ¿por qué el condensador? Una explicación sencilla es la siguiente: Un condensador almacena carga que puede ser suministrada al CI con una resistencia en serie muy baja y una inductancia en serie muy baja. Así, las corrientes transitorias pueden suministrarse desde el condensador de derivación (a través de una resistencia e inductancia mínimas) en lugar de desde la línea de alimentación (a través de una resistencia e inductancia comparativamente grandes). Para entender mejor esto, tenemos que revisar algunos conceptos básicos relacionados con la forma en que un condensador afecta a un circuito.
Primero, sin embargo, una breve nota sobre la terminología: Los componentes analizados en este artículo se denominan habitualmente tanto «condensadores de derivación» como «condensadores de desacoplamiento». Hay una sutil distinción: «desacoplamiento» se refiere a la reducción del grado en que una parte de un circuito influye en otra, y «bypass» se refiere a proporcionar una ruta de baja impedancia que permite que el ruido «pase» por un CI en su camino hacia el nodo de tierra. Ambos términos pueden utilizarse correctamente porque un condensador de derivación/desacople cumple ambas tareas. En este artículo, sin embargo, se prefiere «condensador de derivación» para evitar la confusión con un condensador de desacoplamiento en serie utilizado para bloquear el componente de CC de una señal.
Carga y descarga
La acción fundamental de un condensador es almacenar carga y liberar carga de tal manera que se opone a los cambios de tensión: Si la tensión disminuye repentinamente, el condensador suministra corriente desde sus placas cargadas en un intento de mantener la tensión anterior. Si la tensión aumenta repentinamente, las placas del condensador almacenan la carga de la corriente generada por el aumento de la tensión. La siguiente simulación simple puede ayudarle a visualizar esto:
Note que la corriente es positiva (es decir, fluyendo desde la fuente a través de R1 a C1) cuando el condensador se está cargando y negativa (es decir, fluyendo desde C1 a través de R1 hacia la fuente) cuando el condensador se está descargando.
Este comportamiento fundamental de carga y descarga no cambia dependiendo de si el condensador está expuesto a señales de baja o alta frecuencia. Sin embargo, en una discusión sobre la derivación de la fuente de alimentación, es útil analizar la influencia de un condensador de dos maneras diferentes: una para situaciones de baja frecuencia y otra para situaciones de alta frecuencia. En un contexto de baja frecuencia o CC, un condensador de derivación se opone a los cambios en la línea de tensión mediante la carga o descarga. El condensador funciona como una batería de baja impedancia que puede suministrar pequeñas cantidades de corriente transitoria. En un contexto de alta frecuencia, el condensador es una ruta de baja impedancia a tierra que protege al CI del ruido de alta frecuencia en la línea de alimentación.
Un enfoque estándar
El análisis anterior nos ayuda a entender un esquema de derivación clásico: un condensador de 10 µF a uno o dos centímetros del CI, y un condensador cerámico de 0.1 µF tan cerca de la clavija de alimentación como sea posible:
El condensador más grande suaviza las variaciones de baja frecuencia en la tensión de alimentación, y el condensador más pequeño filtra con mayor eficacia el ruido de alta frecuencia en la línea de alimentación.
Si incorporamos estos condensadores de derivación en la simulación de 8 inversores comentada anteriormente, se elimina el zumbido y la magnitud de la perturbación de la tensión se reduce de 1 mV a 20 µV:
Ideal vs. Realidad
En este punto puede que se pregunte por qué necesitamos un condensador de 0,1 µF además de un condensador de 10 µF. Cuál es la diferencia entre 10 µF y 10,1 µF? Aquí es donde la discusión sobre los condensadores de bypass se complica. La eficacia de un determinado esquema de derivación está estrechamente relacionada con dos de las características no ideales del condensador elegido: la resistencia en serie equivalente (ESR) y la inductancia en serie equivalente (ESL). En la simulación que acabamos de mencionar, los condensadores ideales paralelos de 10 µF y 0,1 µF se convierten en nada más que un condensador ideal de 10,1 µF. Para que la simulación se acerque a la realidad, debemos incluir valores razonables de ESR y ESL. Con esta modificación, tenemos lo siguiente:
Aunque sigue siendo una mejora en comparación con el caso sin condensadores de derivación, estos resultados son significativamente peores que lo que vimos con los condensadores ideales.
Esta simple simulación no puede dar cuenta de todas las impedancias parásitas y otras influencias sutiles presentes en los circuitos integrados reales en una placa de circuito impreso real (especialmente una que incluye señales digitales de alta velocidad). El punto aquí es demostrar que el diseño de una red de derivación implica una cuidadosa consideración de la ESR y ESL de un condensador. Igualmente importantes son la colocación adecuada de los componentes y las técnicas de diseño de la placa de circuito impreso. Exploraremos todos estos detalles en el próximo artículo.
Siguiente artículo de la serie: Energía limpia para cada CI, Parte 2: Elección y uso de los condensadores de bypass