Чистая мощность для каждой ИС, часть 1: Общие сведения об обходных конденсаторах
Полное понимание байпасных конденсаторов поможет вам правильно включить эти критические компоненты в ваши проекты.
Статьи, которые предоставляют вспомогательную информацию
- Конденсаторы переменного тока
- Конденсаторные причуды
Конденсаторы, Конденсаторы везде
Не исключено, что преданный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, обнаруженных в реальных схемах: байпасном конденсаторе. Даже опытные инженеры могут не совсем понять, почему они включают керамические конденсаторы на 0, 1 мкФ рядом с каждым силовым штырем каждого ИС на каждой монтажной плате, которую они проектируют. В этой статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы конденсаторы байпаса и как они улучшают производительность схемы, а последующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором байпасных конденсаторов и методов компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.
Опасности переходного тока
Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, переходные напряжения создаются в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и печатными платами. Этот эффект становится все более проблематичным, когда компонент должен приводить в нагрузку с низким сопротивлением или высокой емкостью: нагрузки с низким сопротивлением создают более высокие величины переходных процессов, а нагрузки с большой емкостью могут приводить к звонкам или даже сильным колебаниям в линии электропередачи. Конечным результатом может быть что угодно: от субоптимальной производительности схемы до отказа системы.
Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.
Эта схема является известным CMOS-инвертором, что подтверждается соотношением между входным и выходным напряжением. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует постоянного тока, нам нужно помнить, что происходит значительный переходный ток, когда входное напряжение проходит через область, в которой проходят оба транзистора. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующего падению напряжения на резисторе источника (в этом моделировании используется 2 Ом, о том, сколько внутреннего сопротивления вы ожидаете от батареи 9 В):
Верно, что величина этого возмущения очень мала, но помните, что интегральная схема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащего обхода кумулятивный эффект всех этих переходных токов был бы серьезно шумным, если не катастрофически неустойчивым источником питания. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильное переключение IC-переключателей на 33 МГц привело к тому, что амплитуда звонка достигала 2 V от пика до пика на 5-вольтовой шине питания!
На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, чтобы включить только 8 инверторов вместе с 1 nH паразитной индуктивности последовательно с сопротивлением источника:
Величина переходных процессов увеличилась до почти 0, 5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение:
Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электроэнергии, но аналоговые ИС также нуждаются в обходе, чтобы компенсировать быстрые выходные переходы и защищать их от шума питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления электропитания источника питания уменьшается, поскольку шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что некорректно обходящийся ОУ может создавать высокочастотные возмущения линии электропередачи, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.
Решение
Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широко доступного компонента. Но почему конденсаторы «байпасные конденсаторы» и «развязывающие конденсаторы». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть цепи влияет на другую, а «обход» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «проходить мимо» IC на своем пути к наземному узлу. Оба термина могут быть правильно использованы, поскольку конденсатор байпаса / развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается «байпасному конденсатору», чтобы избежать путаницы с последовательным развязывающим конденсатором, используемым для блокировки постоянного компонента сигнала.
Зарядка и разрядка
Основное действие конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что оно противостоит изменениям напряжения: если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток из своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно возрастает, пластины конденсатора сохраняют заряд от тока, генерируемого повышенным напряжением. Следующая простая симуляция может помочь вам визуализировать это:
Обратите внимание, что ток является положительным (т. Е. Течет от источника через R 1 до C 1), когда конденсатор заряжается и отрицателен (т.е. течет от C 1 до R 1 к источнику), когда конденсатор разряжается.
Это основное зарядное и разрядное поведение не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: одно для низкочастотных ситуаций и одно для высокочастотных ситуаций. В низкочастотном или постоянном токе байпасный конденсатор выступает против изменений в линии напряжения путем зарядки или разрядки. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшое количество переходного тока. В высокочастотном контексте конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает ИС от высокочастотного шума на линии электропередач.
Стандартный подход
Вышеприведенный анализ помогает понять классическую схему обхода: конденсатор емкостью 10 мкФ в дюймах или двух из IC и керамический конденсатор емкостью 0, 1 мкФ как можно ближе к силовому штырю:
Большой конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии электропередачи.
Если мы включим эти байпасные конденсаторы в симулятор 8-инвертора, рассмотренный выше, сигнал будет устранен, а величина возмущения напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ:
Идеальный против реальности
На этом этапе вам может быть интересно, почему нам нужен конденсатор на 0, 1 мкФ в дополнение к конденсатору емкостью 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10, 1 мкФ? В этом случае обсуждение обходной крышки становится более сложным. Эффективность конкретной схемы обхода тесно связана с двумя из неидеальных характеристик выбранного конденсатора: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная индуктивность ряда (ESL). В только что упомянутом имитации параллельные 10 μF и 0, 1 μF идеальные конденсаторы становятся не более чем 10, 1 μF идеальным конденсатором. Чтобы сделать симуляцию чем-то приближающимся к реалистичному, нам нужно включить разумные значения ESR и ESL. С этой модификацией мы имеем следующее:
Несмотря на то, что они по-прежнему улучшаются по сравнению с корпусом без байпасных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными колпачками.
Эта простая симуляция не может объяснить всех паразитных импедансов и других тонких влияний, присутствующих в реальных интегральных схемах на реальной печатной плате (особенно в том, что включает высокоскоростные цифровые сигналы). Дело здесь в том, чтобы продемонстрировать, что проектирование обходной сети предполагает тщательное рассмотрение ESR конденсатора и ESL. Не менее важными являются правильное размещение компонентов и методы компоновки печатных плат. Мы рассмотрим все эти подробности в следующей статье.
Следующая статья в серии: чистая мощность для каждой ИС, часть 2: выбор и использование ваших байпасных конденсаторов