Da dove viene il valore di 0.1uF per i condensatori di bypass?

Quasi tutti raccomandano 0.1uF per condensatori di bypass. Perché questo valore? Suppongo che non ci sia nulla di male nell'utilizzare valori più grandi, quindi è semplicemente un "minimo ragionevole"? E se è così, perché le persone cercano il minimo invece di usare valori più alti - mi sembra che tu possa ottenere valori più alti senza costi aggiuntivi.

Condensatori di valore superiore non saranno altrettanto efficaci nel gestire la corrente ad alta frequenza assorbita dal chip. Al di sopra di una certa frequenza un condensatore inizierà a comportarsi come un induttore. Il valore in cui cambia la sua caratteristica è l'autorisonanza in serie del dispositivo: -

Quindi, scoprirai che sui dispositivi a microonde sono presenti anche condensatori da 100pF come disaccoppiamento insieme ai condensatori di massa. Ecco un esempio di tre condensatori che disaccoppiano un FPGA: -

La curva nera è l'impedenza composita di tutti e tre i condensatori utilizzati. Tratto da qui .

Da dove viene il valore di 0.1uF per i condensatori di bypass?

È un buon compromesso tra capacità di massa e alta frequenza, MA se si progettano radio il disaccoppiatore predefinito può essere 10nF o 1nF (UHF). Se stai progettando materiale digitale ad altissima velocità, puoi anche usare 2 o 3 valori diversi in parallelo, come nell'immagine FPGA sopra.

Non tutti raccomandano 0.1uF come condensatore di disaccoppiamento, sebbene sia un buon punto di partenza per 74HC e logica single gate. La risposta di Kevegaro qui è buona.

Ad esempio, per gli FPGA Xilinx ecco una raccomandazione per i condensatori di bypass:

Raccomandano 33 condensatori con tre valori diversi per dispositivo.

La spiegazione di Andy è bella e approfondita. Se ti risulta difficile da afferrare, può aiutarti a visualizzare come funziona il disaccoppiamento in termini semplici. Nella tua mente immagina una vista 3D della tua scheda, ha un carico (CI, ecc.) E una fonte di alimentazione. Il carico può improvvisamente "richiedere" più corrente dall'alimentatore, ma ci vuole tempo perché la corrente dall'alimentatore raggiunga il carico oltre la distanza di traccia e la resistenza di traccia. Anche la resistenza incorporata della fornitura stessa o del tempo necessario a una fornitura di commutazione per rilevare la nuova domanda corrente e regolare (larghezza di banda dell'offerta) è un fattore. In breve, un alimentatore non fornisce corrente istantaneamente, ci vuole tempo.

Poiché il carico è in attesa dell'arrivo della corrente, non ha altra scelta che abbassare la tensione per compensare la corrente "mancante". Deve obbedire alla legge V = IR, il carico è diminuito, la sua resistenza (R) per "indicare" ha bisogno di più potenza, non c'era più corrente immediatamente disponibile quindi rimango lo stesso, quindi V deve diminuire per compensare.

Quindi, come possiamo risolverlo? Mettiamo piccoli condensatori vicino al carico. Questi condensatori sono piccoli "banchi di carica" ​​dai quali il carico può ritirarsi rapidamente durante l'eccesso di domanda, più rapidamente che attendere che la corrente esca dalla fornitura. Perché è più veloce? Perché la distanza tra condensatore e carico è più breve e perché la resistenza integrata di un condensatore è molto più piccola di un alimentatore. Se "I" è immediatamente disponibile, allora "V" non ha bisogno di compensare - tutti sono felici.

Sebbene molto più veloci degli alimentatori, i condensatori impiegano anche del tempo per "scaricarsi" e fornire energia al carico in proporzione alla loro resistenza interna che aumenta con la capacità (farad). Quindi, in breve, i condensatori più grandi impiegano più tempo a fornire la corrente necessaria. Quindi vuoi scegliere un condensatore di bypass che sia abbastanza veloce per rispondere al carico, ma che abbia anche abbastanza carica per riempire la domanda mentre la corrente dall'alimentatore arriva al carico.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Come accennato in precedenza, per la logica comune è stato un buon compromesso tra tempo di risposta e requisiti di capacità dei cappucci di bypass alle richieste di carico. È possibile estrarre la calcolatrice e scoprire esattamente qual è il valore migliore, ma ci sono anche i costi della distinta materiali da considerare. Se sintonizzi ogni condensatore di bypass sul suo carico, finirai con molti più elementi pubblicitari sulla tua distinta componenti e diventerà costoso molto velocemente! 0.1uF per la maggior parte dei circuiti logici o per i circuiti ad alta velocità 0.01uF (100nF) è generalmente una buona scelta. Risparmia nella tua distinta componenti dove puoi entro i limiti dell'applicazione.

Per i carichi che cambiano frequentemente la domanda corrente (carichi ad alta frequenza) ci sono altri modi per aggirare il tempo di risposta rispetto al problema di capacità dei condensatori di bypass. Puoi:

1. Utilizzare un regolatore di potenza migliore con una larghezza di banda più elevata, in modo da non impiegare così tanto tempo per ottenere energia dalla sorgente al carico.
2. Metti due condensatori in parallelo. Due resistori in parallelo riducono la resistenza totale e non è diverso con le resistenze interne dei condensatori. Pertanto i condensatori combinati hanno una capacità maggiore e un tempo di risposta maggiore!
3. È possibile utilizzare limiti paralleli di diversa capacità, amico grande e amico piccolo. Quindi uno potrebbe essere 0,01 uF e un altro 0,1 uF. Il primo ha una risposta rapida e il secondo è un po 'in ritardo nella risposta ma fornisce corrente per una durata più lunga.
4. Puoi anche distribuire capacità nel tuo circuito ma non necessariamente nel punto di carico. Questa risposta del serbatoio di carica è più veloce della fonte di alimentazione, quindi è possibile utilizzare condensatori di bypass più piccoli al carico sapendo che i serbatoi di carica distribuiti rileveranno il gioco nella fornitura.

Questa è una visione semplificata di tutto. Ci sono più fattori soprattutto nei circuiti ad alta velocità. Ma se riesci a immaginare i principi elettrici di base in gioco nel tuo circuito come un sistema dinamico di approvvigionamento e richiedere che molte delle "migliori pratiche" di cui leggiamo diventino buonsenso. Un'analogia più semplice potrebbe essere la catena di approvvigionamento di Amazon. Il loro obiettivo: fornire articoli il più rapidamente possibile ovunque negli Stati Uniti. La loro soluzione, magazzini vicini ad ogni città, meno tempo di risposta per ottenere gli articoli dal magazzino e dal camion. Il prossimo è la consegna dei droni. È una battaglia logistica di domanda e offerta e compromesso su tempi e capacità di risposta rispetto alle dimensioni di ciascun nodo di distribuzione e ai costi!

Un ottimo video di EEVBlog sui fattori per i condensatori paralleli: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

La raccomandazione di utilizzare più valori, come 100nF + 10µF, è degli anni '90 e '80, quando 100nF era il condensatore ceramico più facilmente disponibile con una discreta risposta ad alta frequenza. Il condensatore da 10µF sarebbe un condensatore elettrolitico o al tantalio con scarso comportamento ad alta frequenza.

Oggi è completamente cambiato. Ora puoi facilmente acquistare ceramiche da 10µF in confezioni da 0603 o anche da 0402. Per i condensatori ceramici, la risposta ad alta frequenza non ha nulla a che fare con il valore del condensatore e tutto ha a che fare con la dimensione del pacchetto del condensatore.

Con i moderni condensatori, di solito è inutile collegare un 100nF in parallelo con un 10µF.

Si può facilmente vedere nello schema seguente che i moderni condensatori ceramici di alto valore sono uguali ai condensatori di basso valore per le alte frequenze, purché le dimensioni del pacchetto siano le stesse. (I piccoli avvallamenti negativi sono le frequenze di risonanza. Non si desidera fare affidamento sulla frequenza di risonanza per il disaccoppiamento dei condensatori, quindi tali avvallamenti devono essere ignorati)

_{(Fonte immagine: Analog Dialogue, settembre 2005 - Una guida pratica al layout della scheda a circuito stampato ad alta velocità )}