O înțelegere aprofundată a condensatoarelor de bypass vă va ajuta să încorporați corect aceste componente critice în proiectele dumneavoastră.
Articole care oferă informații de susținere
- Circuite cu condensatoare de curent alternativ
- Capacitor Quirks
Capacitori, condensatori peste tot
Nu este de neconceput ca un student inginer dedicat și de succes să absolve facultatea fără să știe aproape nimic despre una dintre cele mai răspândite și importante componente întâlnite în circuitele reale: condensatorul de bypass. Chiar și inginerii experimentați s-ar putea să nu înțeleagă pe deplin de ce includ condensatoare ceramice de 0,1 µF lângă fiecare pin de alimentare al fiecărui circuit integrat din fiecare placă de circuit pe care o proiectează. Acest articol oferă informații care vă vor ajuta să înțelegeți de ce sunt necesare condensatoarele de bypass și cum îmbunătățesc ele performanțele circuitelor, iar un articol următor se va concentra asupra detaliilor legate de alegerea condensatoarelor de bypass și a tehnicilor de dispunere pe PCB care le maximizează eficacitatea.
Pericile curentului tranzitoriu
Care componentă în care ieșirile trec rapid de la o stare la alta va genera curenți tranzitorii. Atunci când acești curenți tranzitorii sunt atrași direct de la sursa de alimentare, sunt create tensiuni tranzitorii ca urmare a impedanței sursei de alimentare, precum și a inductanței parazite asociate cu firele și urmele PCB. Acest efect este din ce în ce mai problematic atunci când o componentă trebuie să piloteze o sarcină cu rezistență mică sau cu capacitate mare: sarcinile cu rezistență mică creează tranzitorii de magnitudine mai mare, iar sarcinile cu capacitate mare pot duce la intonare sau chiar la oscilații severe în linia de alimentare. Rezultatul final poate fi orice, de la performanțe suboptime ale circuitului până la defectarea sistemului.
Să explorăm pe scurt această problemă a curentului tranzitoriu folosind o simulare foarte simplă.
Circuitul este faimosul invertor CMOS, după cum confirmă relația dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire. Deși proiectarea eminamente inteligentă a acestui invertor nu necesită un curent în regim staționar, trebuie să ne amintim că un curent tranzitoriu semnificativ circulă atunci când tensiunea de intrare trece prin regiunea în care ambii tranzistoare sunt conductoare. Acest curent creează o perturbație asupra tensiunii de alimentare a invertorului care corespunde căderii de tensiune pe rezistența sursei (această simulare folosește 2 Ω, care este cam cât de mare este rezistența internă la care v-ați aștepta de la o baterie de 9 V):
Este adevărat că magnitudinea acestei perturbații este foarte mică, dar nu uitați că un circuit integrat ar putea conține sute sau mii sau milioane de invertoare. Fără o bypassare adecvată, efectul cumulativ al tuturor acestor curenți tranzitorii ar fi o alimentare de tensiune serios zgomotoasă – dacă nu chiar catastrofal de instabilă. Experimentele efectuate de inginerii de la Texas Instruments au demonstrat că un circuit integrat de comandă de linie incorect by-passat, care comută la 33 MHz, a dus la o amplitudine de inelare de până la 2 V vârf-la-vârf – pe o linie de alimentare de 5 V!
Următoarea diagramă arată tensiunea de alimentare atunci când circuitul de simulare este extins pentru a include doar 8 invertoare împreună cu 1 nH de inductanță parazită în serie cu rezistența sursei:
Amploarea tranzienților a crescut la aproape 0.5 mV, iar ambele perturbații prezintă un anumit comportament oscilator:
Circuitele digitale au cu siguranță o aptitudine specială pentru degradarea calității energiei electrice, dar și circuitele integrate analogice au nevoie de ocolire pentru a compensa tranzițiile rapide ale ieșirii și pentru a le proteja de zgomotul de alimentare generat de alte dispozitive. De exemplu, raportul de respingere a sursei de alimentare a unui amplificator operațional scade pe măsură ce zgomotul sursei de alimentare crește în frecvență; aceasta înseamnă că un amplificator operațional by-passat necorespunzător ar putea crea perturbații ale liniei de alimentare de înaltă frecvență care s-ar propaga la propriul semnal de ieșire al amplificatorului operațional.
Soluția
Este convenabil ca o problemă atât de serioasă să poată fi rezolvată eficient cu o componentă simplă, disponibilă pe scară largă. Dar de ce un condensator? O explicație simplă este următoarea: Un condensator stochează sarcina care poate fi furnizată circuitului integrat cu o rezistență serie foarte mică și o inductanță serie foarte mică. Astfel, curenții tranzitorii pot fi alimentați de la condensatorul de by-pass (prin rezistență și inductanță minime) în loc să fie alimentați de la linia de alimentare (prin rezistență și inductanță relativ mari). Pentru a înțelege mai bine acest lucru, trebuie să trecem în revistă câteva concepte de bază legate de modul în care un condensator afectează un circuit.
În primul rând, însă, o scurtă notă despre terminologie: Componentele discutate în acest articol sunt denumite în mod regulat atât „condensatori de bypass”, cât și „condensatori de decuplare”. Există o distincție subtilă aici – „decuplarea” se referă la reducerea gradului în care o parte a unui circuit influențează o altă parte, iar „bypass” se referă la asigurarea unei căi de impedanță joasă care permite zgomotului să „treacă” de un circuit integrat în drumul său spre nodul de masă. Ambii termeni pot fi utilizați în mod corect deoarece un condensator de bypass/decuplare îndeplinește ambele sarcini. Cu toate acestea, în acest articol se preferă „condensator de bypass” pentru a evita confuzia cu un condensator de decuplare în serie utilizat pentru a bloca componenta de curent continuu a unui semnal.
Încărcare și descărcare
Acțiunea fundamentală a unui condensator este stocarea de sarcină și eliberarea de sarcină în așa fel încât să se opună schimbărilor de tensiune: Dacă tensiunea scade brusc, condensatorul furnizează curent din plăcile sale încărcate în încercarea de a menține tensiunea anterioară. Dacă tensiunea crește brusc, plăcile condensatorului stochează sarcina din curentul generat de creșterea tensiunii. Următoarea simulare simplă vă poate ajuta să vizualizați acest lucru:
Rețineți că curentul este pozitiv (adică trece de la sursă prin R1 către C1) atunci când condensatorul se încarcă și negativ (adică, curge de la C1 prin R1 către sursă) atunci când condensatorul se descarcă.
Acest comportament fundamental de încărcare și descărcare nu se schimbă în funcție de faptul că condensatorul este expus la semnale de frecvență joasă sau de frecvență înaltă. Cu toate acestea, într-o discuție despre ocolirea sursei de alimentare, este util să analizăm influența unui condensator în două moduri diferite – unul pentru situații de joasă frecvență și unul pentru situații de înaltă frecvență. Într-un context de frecvență joasă sau de curent continuu, un condensator de by-pass se opune schimbărilor în linia de tensiune prin încărcare sau descărcare. Condensatorul funcționează ca o baterie de joasă impedanță care poate furniza cantități mici de curent tranzitoriu. Într-un context de înaltă frecvență, condensatorul este o cale de joasă impedanță spre masă care protejează circuitul integrat de zgomotul de înaltă frecvență de pe linia de alimentare.
O abordare standard
Analiza de mai sus ne ajută să înțelegem o schemă clasică de bypass: un condensator de 10 µF la un centimetru sau doi de circuitul integrat și un condensator de 0.1 µF condensator ceramic cât mai aproape posibil de pinul de alimentare:
Condensatorul mai mare netezește variațiile de frecvență joasă ale tensiunii de alimentare, iar condensatorul mai mic filtrează mai eficient zgomotul de înaltă frecvență de pe linia de alimentare.
Dacă încorporăm aceste condensatoare de by-pass în simularea cu 8 invertoare discutată mai sus, efectul de inelare este eliminat, iar magnitudinea perturbației de tensiune este redusă de la 1 mV la 20 µV:
Ideal vs. Realitate
În acest moment poate vă întrebați de ce avem nevoie de un condensator de 0,1 µF în plus față de un condensator de 10 µF. Care este diferența dintre 10 µF și 10,1 µF? Aici este momentul în care discuția despre capacul de bypass devine mai complicată. Eficacitatea unei anumite scheme de bypass este strâns legată de două dintre caracteristicile neideale ale condensatorului ales: rezistența echivalentă în serie (ESR) și inductanța echivalentă în serie (ESL). În simularea tocmai menționată, condensatoarele ideale paralele de 10 µF și 0,1 µF nu devin nimic mai mult decât un condensator ideal de 10,1 µF. Pentru ca simularea să fie cât de cât realistă, trebuie să includem valori rezonabile de ESR și ESL. Cu această modificare, avem următoarele:
Cu toate că reprezintă încă o îmbunătățire în comparație cu cazul în care nu există condensatori de bypass, aceste rezultate sunt semnificativ mai proaste decât cele pe care le-am văzut cu condensatorii ideali.
Această simulare simplă nu poate lua în considerare toate impedanțele parazite și alte influențe subtile prezente în circuitele integrate reale pe un PCB real (în special unul care include semnale digitale de mare viteză). Ideea aici este de a demonstra că proiectarea unei rețele de bypass implică o analiză atentă a ESR și ESL ale unui condensator. La fel de importante sunt și amplasarea corectă a componentelor și tehnicile de dispunere a PCB. Vom explora toate aceste detalii în următorul articol.
Urmatorul articol din serie: Putere curată pentru fiecare circuit integrat, Partea 2: Alegerea și utilizarea condensatoarelor de bypass
.