Perché troppi condensatori in parallelo per la rete di alimentazione Vdd? Non possiamo semplicemente aggiungere tutto per sostituirlo con un grande condensatore?

Ecco uno schema dei circuiti integrati del regolatore di potenza e dei filtri di una scheda Basys-2. È solo un esempio, ma è abbastanza simile a molti progetti che ho visto.

Perché ci sono così tanti condensatori aggiunti in parallelo piuttosto che un solo grande condensatore? Qualcuno può darmi vantaggi e svantaggi di aggiungere molti condensatori in parallelo piuttosto che un grande condensatore per ogni rete di alimentazione?

I cappucci si trovano vicino a ciascun circuito integrato digitale, o un piccolo insieme di tali circuiti integrati, per fungere da serbatoi locali per appianare le richieste correnti rapidamente fluttuanti di tali circuiti integrati. Ciò impedisce a quelle correnti che fluttuano rapidamente di causare tensioni fluttuanti su fili di alimentazione più lunghi (tracce di PCB) e possibilmente di interrompere altri chip collegati a tali fili di alimentazione.

In alcuni casi vedrai anche un cappuccio grande parallelo a un cappuccio piccolo proprio accanto ad esso. Il tappo grande fornisce un serbatoio di grandi dimensioni, ma ha una resistenza interna significativa, quindi non risponde più rapidamente di un tappo piccolo. Quindi insieme i due tappi possono rispondere rapidamente e fornire un grande serbatoio.

I condensatori reali hanno una certa resistenza interna e induttanza in serie con la loro capacità "ideale". Gli effetti sono maggiori con condensatori di valore maggiore e variano a seconda del materiale e della costruzione del condensatore. Per la discussione in corso, entrambe queste caratteristiche non ideali agiscono per rallentare la velocità con cui il condensatore può rispondere.

Una buona discussione può essere trovata qui: http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/21.html

Un ulteriore articolo sul layout di bordo per il digitale ad alta velocità: http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf

Questi tappi vengono utilizzati come condensatori di "disaccoppiamento". Anche se sembrano tutti vicini, saranno posizionati (spesso in coppia) sul circuito accanto ai pin di alimentazione dei circuiti integrati digitali.

A differenza dei circuiti analogici, un circuito digitale consuma energia in raffiche brevi e veloci. Tutte le tracce o i fili hanno una certa induttanza, che impedisce alla corrente di cambiare con la stessa rapidità dell'IC. Ciò causa due problemi: la tensione fluttua sul pin di ingresso e la corrente in rapido cambiamento fa sì che le tracce irradino rumore elettrico.

Un condensatore di disaccoppiamento offre due funzioni principali:

1. La prima funzione è prevenire questi due problemi. Funziona come un piccolo buffer di potenza proprio all'IC e può fornire le correnti che variano rapidamente. Dal momento che si trovano proprio accanto ai circuiti integrati, non ci sono lunghe tracce per agire come generatori di rumore.

2. La seconda funzione è quella di fungere da filtro, attenuando il rumore visto dall'esterno del chip. È qui che entrano in gioco i valori multipli dei condensatori. I condensatori hanno anche una piccola induttanza parassitaria. Ogni condensatore aggiunto crea un filtro LC. Ogni diverso valore di condensatore, combinato con l'induttanza parassita, filtra una diversa gamma di frequenze. È comune vedere un 100pF accanto a un limite di 0,1uF su ciascun pin di alimentazione. Questa combinazione ha una larghezza di banda di filtraggio favorevole.

Pertanto, anche se è possibile utilizzare un grande condensatore per abbinare la capacità nominale del bus, si perderebbero i vantaggi del disaccoppiamento.

Questo FPGA copre una vasta gamma di frequenze nell'intervallo da 500 KHz a 500 MHz. Quindi, per mantenere piatta l'impedenza di alimentazione da msec a nsec, viene utilizzata una combinazione parallela di condensatori di valori diversi in un mix adeguato. Il valore non è molto critico e di solito è compreso tra 0,001μF e 4,7μF, ma la combinazione di valori aiuta a mantenere bassa l'impedenza e ad evitare picchi di risonanza (un valore per decennio ad esempio) I condensatori a bassa frequenza ( con un ESR più elevato) e hanno buone prestazioni in una gamma più ampia di frequenza, quindi non è necessaria alcuna combinazione. I valori tipici vanno da 470μF a 1000μF.

Quindi è normale vedere fino a 50 condensatori nel footprint di un FPGA o intorno, come 1x680μF, 7x2.2μF, 13x0.47μF e 26x0.047μF

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