Che cos'è un condensatore di disaccoppiamento e come faccio a sapere se ne ho bisogno?

Che cos'è un condensatore di disaccoppiamento (o condensatore di livellamento come indicato nel collegamento seguente)?

Come faccio a sapere se ne ho bisogno e, in tal caso, quali dimensioni e dove deve andare?

Questa domanda menziona molti chip che ne hanno bisogno tra VCC e GND; come faccio a sapere se uno specifico chip è uno?

Un registro a scorrimento ad accesso parallelo a 4 bit SN74195N utilizzato con un Arduino ne avrebbe bisogno? (Per usare il mio progetto attuale come esempio) Perché o perché no?

Mi sento come se stessi iniziando a capire le basi dei resistori e in alcuni luoghi in cui vengono utilizzati, quali valori dovrebbero essere usati in tali luoghi, ecc. E mi piacerebbe capire anche i condensatori a livello base.

Sono stato io a porre questa domanda. Ecco la mia comprensione rudimentale:

Si collegano condensatori attraverso $V_{CC}$ / GND per cercare di mantenere la tensione più costante. Sotto un circuito CC, un condensatore agisce come un circuito aperto, quindi non vi è alcun problema con cortocircuito lì. All'accensione del dispositivo ( $V_{CC}$ = 5 V), il condensatore viene caricato fino alla capacità e attende fino a quando non si verifica una variazione della tensione tra $V_{CC}$ e GND ( $V_{CC}$ = 4,5 V ). A questo punto, il condensatore si scarica per provare a riportare la tensione al livello di carica all'interno del condensatore (5 V). Questo si chiama "smoothing" (o almeno è quello che io lo chiamo) perché la variazione di tensione sarà meno pronunciata.

Alla fine, la tensione non tornerà mai a 5 V attraverso un condensatore, ma il condensatore si scaricherà fino a quando la carica al suo interno non sarà uguale alla tensione di alimentazione (a un equilibrio). Un meccanismo simile è responsabile del livellamento se $V_{CC}$ aumenta troppo oltre la sua media ( $V_{CC}$ = 5,5 V forse).

Per quanto riguarda il motivo per cui sono necessari, sono molto importanti nei circuiti digitali e analogici ad alta velocità. Non posso immaginare che ne avresti bisogno per uno SN74195, ma non può far male!

Gli alimentatori sono lenti ... ci vogliono circa 10 noi per rispondere (cioè larghezza di banda fino a 100 kHz). Quindi, quando il tuo microcontrollore multi-MHz grande, cattivo, commuta un gruppo di uscite da alto a basso, si attiverà dall'alimentazione, causando la caduta della tensione fino a quando non si accorge (10 noi dopo!) Che deve fare qualcosa per correggere la tensione di caduta.

Per compensare gli alimentatori lenti, utilizziamo condensatori di disaccoppiamento. I condensatori di disaccoppiamento aggiungono una rapida "memoria di carica" ​​vicino all'IC. Quindi, quando il tuo micro commuta le uscite, invece di prelevare la carica dall'alimentazione, attingerà prima dai condensatori. Ciò richiederà un po 'di tempo all'alimentatore per adattarsi alle mutevoli esigenze.

La "velocità" dei condensatori varia. Fondamentalmente, i condensatori più piccoli sono più veloci; l'induttanza tende ad essere il fattore limitante, motivo per cui tutti raccomandano di mettere i tappi il più vicino possibile a VCC / GND con i cavi più corti e larghi che siano pratici. Scegli quindi la capacità più grande nel pacchetto più piccolo e forniranno la massima carica il più velocemente possibile.

Normalmente chiamato "cappuccio di bypass", perché il rumore ad alta frequenza bypassa l'IC e fluisce direttamente a terra, o " cappuccio di disaccoppiamento ", poiché impedisce l'assorbimento di corrente di un IC dall'accoppiamento all'alimentazione di un altro IC.

"come faccio a sapere se uno specifico chip è uno?"

Supponi solo che lo facciano tutti. :) Se un chip assorbe corrente in modo intermittente, causerà una caduta intermittente della tensione di alimentazione. Se un altro chip è "a valle", vedrà quel rumore sui suoi pin di alimentazione. Se è abbastanza male, può causare errori o rumore o altro. Quindi generalmente mettiamo i limiti di bypass su tutto, "a monte" dell'IC. (Sì, l'orientamento delle tracce e le posizioni dei componenti sono importanti, poiché il rame non è un conduttore perfetto.)

Un condensatore di livellamento (noto anche come condensatore di disaccoppiamento ) viene utilizzato per ridurre la variazione della tensione di alimentazione. Quando si assorbono correnti elevate dall'alimentatore (come quando lo stato degli interruttori logici digitali) si nota un cambiamento nella tensione di alimentazione. La commutazione tenta di assorbire grandi correnti istantanee e produce una caduta di tensione dovuta all'impedenza della sorgente di tensione e alla connessione tra la sorgente di tensione e l'IC. Un condensatore di disaccoppiamento aiuterà a mantenere (o regolare) la tensione di alimentazione sul dispositivo. Posizionando questo elemento di memoria vicino all'IC si riduce la variazione di tensione nell'IC.

A meno che non si misuri la tensione di alimentazione di ciascun IC quando l'IC sta disegnando le sue massime correnti di commutazione, è difficile dire quanto sarà efficace il condensatore. Per la maggior parte dei dispositivi digitali la raccomandazione è una ceramica da 0,1 uF molto vicino al dispositivo. Poiché i condensatori sono piccoli ea basso costo, la maggior parte dei progettisti aggiungerà semplicemente i condensatori. A volte, se ho due dispositivi logici molto vicini, potresti essere in grado di orientare un singolo condensatore tra due circuiti integrati. Questo di solito non è il caso.

I circuiti integrati di alimentazione hanno requisiti più elevati di condensatore di livellamento poiché le correnti di scorrimento sono maggiori. Per questi dispositivi è necessario esaminare più da vicino i requisiti di ripple dell'applicazione per determinare il condensatore di filtraggio appropriato.

Solo per aggiungere altro sulle emissioni EM.

La maggior parte delle aziende raccomanderà limiti di 0.1uF ad ogni potenza assorbita. Tenere presente che questo è solo il minimo indispensabile per evitare cali di tensione che potrebbero compromettere il funzionamento. Se stai costruendo una scheda PCB che deve superare FCC Parte 15 per le emissioni, devi andare oltre.

In definitiva, è necessario calcolare l'intera capacità necessaria sul piano di alimentazione in base al design del PCB e al consumo di energia. Una regola generale che uso come punto di partenza è un tappo al tantalio da 10uF per ogni IC principale (microcontrollore, ADC, DAC, ecc.) E quindi un cappuccio da 0,1uF e un tappo da 10nF su ogni pin di alimentazione di ogni IC. I cappucci da 10nF devono essere piccoli - preferibilmente 0402 o al massimo 0603 - per evitare l'induttanza del piombo dal pacchetto annullando l'effetto del condensatore.

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Le domande relative al disaccoppiamento sembrano emergere molto ultimamente. Ho dato una risposta dettagliata qui: tappi di disaccoppiamento, layout PCB

Parla di problemi di disaccoppiamento e layout. Il livellamento dell'alimentazione è una questione totalmente diversa. Ciò richiede generalmente tappi più grandi che devono essere in grado di immagazzinare una quantità ragionevole di energia poiché la frequenza di ondulazione dell'alimentatore è molto più bassa di quella che le protezioni di disaccoppiamento delle frequenze sono destinate a gestire.

Vorrei sottolineare uno dei punti di Jluciani. È molto importante posizionare il condensatore il più vicino possibile alla potenza assorbita dai chip. Questo può aiutare ad eliminare qualsiasi rumore che viene introdotto in qualsiasi altro luogo, o nel tuo circuito, dall'alimentazione, o anche del rumore che viene irradiato da una fonte fuori dalla tua scheda.

jluciani ha ragione sul fatto che 0.1uF è molto comune per essere posizionato vicino ai circuiti integrati. Pensa semplicemente alla capacità come a quanta carica può contenere il condensatore, quindi maggiore è la capacità, maggiore è la carica che sta trattenendo. Se si mettono i condensatori in parallelo, si aggiunge più capacità con conseguente maggiore capacità effettiva.

Per quanto riguarda la tua domanda sul fatto che quel chip ne abbia o meno bisogno, direi, non farebbe male. Il foglio dati in genere specifica se il chip necessita di disaccoppiare i condensatori (aka smoothing) e, in tal caso, quale sia il valore raccomandato.

Solo per aggiungere alcuni punti alle altre risposte:

Per misurare gli effetti dei picchi di corrente sulla tensione di alimentazione è necessario un oscilloscopio veloce. Dipende dalla velocità dei circuiti, ma suppongo che avresti bisogno di una larghezza di banda compresa tra 200 MHz e 1 GHz.

Inoltre, se il circuito di alimentazione che trasporta i picchi di corrente è grande, causerà emissioni radio, che sono disapprovate per vari motivi tecnici e legali. Un condensatore di bypass agisce come una scorciatoia per questi picchi, quindi c'è molto meno emissione.

I cappucci di bypass sono sufficientemente economici che in molti casi non c'è motivo di non metterli ovunque. Se lo spazio o il costo sono problemi estremi, tuttavia, può essere ragionevole lasciarne alcuni. La chiave è riconoscere cosa può accadere se vengono lasciati fuori. Il mio suggerimento sarebbe quello di ipotizzare uno scenario peggiore se vengono lasciati fuori: (1) la radiazione RF alla frequenza di commutazione dell'ingresso può essere aumentata e (2) ogni volta che un ingresso commuta, si supponga che le uscite del dispositivo e lo stato interno possano essere arbitrariamente glitch. Se uno di questi comportamenti fosse un problema, sono richiesti i limiti di bypass. Se nessuno dei due sarebbe un problema (ad es. Perché nessuno degli ingressi commuta abbastanza spesso perché la radiazione sia un problema, il dispositivo non ha uno stato interno,

In un caso generale, alcuni o più circuiti integrati, transistor o valvole (tubi) saranno collegati allo stesso alimentatore. Poiché un dispositivo in queste situazioni funziona, assorbe quantità variabili di corrente dall'alimentatore secondo il segnale che lo attraversa. Poiché gli alimentatori non sono perfetti, la corrente variabile fa apparire una tensione variabile sulle guide di alimentazione. Tutti gli altri dispositivi collegati allo stesso alimentatore sentiranno quindi questa tensione cioè. un segnale di rumore verrà accoppiato al loro interno. Ciò può causare instabilità nei circuiti analogici o commutazione errata in circuiti digitali. Posizionando i condensatori di disaccoppiamento nei punti sopra descritti, la tensione di alimentazione diventa più stabile e i dispositivi vengono disaccoppiati l'uno dall'altro.

Spesso il foglio dati per il chip specifica in modo specifico quanti condensatori e quali dimensioni usare. In caso contrario, la migliore pratica è quella di collegare un cappuccio da 1 uF ai pin di alimentazione di ciascun chip, oltre a un cappuccio più grande da qualche parte sulla scheda. (Prima del 2001, la migliore pratica utilizzava limiti di 0,1 uF).

ps: hai considerato di utilizzare un 74HC595 o 74HC166 anziché il 74195? Sospetto che funzionerebbe altrettanto bene e libererebbe alcuni pin sul tuo Arduino.

Le persone in genere danno una spiegazione quando viene loro chiesto quale sia la funzione di disaccoppiare i condensatori, ma la verità è che svolgono diversi compiti.

Ecco l'elenco delle cose di cui sono a conoscenza:

Riducono il rimbalzo al suolo

Il rimbalzo a terra è un fenomeno in cui una variazione di tensione variabile sul piano di terra influisce negativamente (principalmente) sui segnali analogici e (a volte) digitali. Per i segnali analogici, come ad esempio l'audio, questo potrebbe manifestarsi sotto forma di rumore acuto. Per i segnali digitali potrebbe significare transizioni di segnali mancanti / ritardati / falsi.

La differenza di tensione variabile è causata dalla creazione e dal collasso dei campi magnetici causati dalla variazione dei flussi di corrente.

Più lungo è il percorso che deve seguire il flusso corrente, maggiore è l'induttanza ad esso associata e peggiore diventa il rimbalzo del terreno. Anche i percorsi di flusso di corrente multipli aggravano il problema, nonché la velocità con cui la corrente cambia.

Il flusso di corrente si verifica ovviamente tra un alimentatore e un circuito integrato collegato, ma un po 'meno ovviamente anche tra circuiti integrati "comunicanti". Il flusso corrente associato a due circuiti integrati è simile al seguente; alimentatore -> IC 1 -> IC 2 -> Terra -> alimentatore.

Un condensatore di disaccoppiamento riduce efficacemente la lunghezza di un percorso di corrente funzionando come una fonte di alimentazione, riducendo così l'induttanza e quindi il rimbalzo a terra.

L'esempio precedente diventa; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Terra -> Cap

Mantengono stabili i livelli di tensione

Esistono due motivi per cui i livelli di tensione oscillano:

• L'induttanza di traccia / filo riduce la velocità massima di variazione della corrente attraverso quella traccia / filo; un improvviso aumento della "domanda" di corrente comporterà una caduta di tensione; un'improvvisa diminuzione della "domanda" di corrente comporterà un picco di tensione.
• Gli alimentatori (in particolare quelli del tipo a commutazione) richiedono tempo per rispondere e saranno leggermente in ritardo rispetto alla domanda attuale.

Un condensatore di disaccoppiamento attenua la domanda di corrente e riduce eventuali cadute o picchi di tensione.

POSSONO ridurre l'EMI (trasmissione)

Quando parliamo di interferenze elettromagnetiche, ci riferiamo alla trasmissione di interferenze elettromagnetiche indesiderate o alla ricezione di segnali elettromagnetici intenzionali o non intenzionali che interferiscono con la funzione del dispositivo. In genere si riferisce alla trasmissione stessa.

I posizionamenti dei condensatori (disaccoppiamento) tra i piani di potenza e di terra cambiano il coefficiente di trasmissione attraverso una gamma di frequenze. Apparentemente usare un solo valore per i tuoi condensatori per l'intero PCB e per i condensatori con perdita / alta resistenza è la strada da percorrere se devi ridurre l'EMI, tuttavia questo va contro la pratica comune (che sostiene un ordine crescente di capacità più vicino all'alimentazione). La maggior parte delle persone non si preoccupa davvero dell'IME se creano circuiti per il loro hobby (anche se in genere i radioamatori lo fanno), ma diventa inevitabile quando si progetta un circuito per la produzione di massa.

Un condensatore (disaccoppiante) PUO 'ridurre le radiazioni elettromagnetiche indesiderate prodotte dal circuito.

Per rispondere alle domande rimanenti ..

Come faccio a sapere se ne ho bisogno e, in tal caso, quali dimensioni e dove deve andare?

In genere si posiziona un condensatore di disaccoppiamento quando possibile, scegliendo la dimensione fisica più piccola con il valore più grande il più vicino possibile al pin di alimentazione dell'IC.

Un registro a scorrimento ad accesso parallelo a 4 bit SN74195N utilizzato con un Arduino ne avrebbe bisogno? (Per usare il mio progetto attuale come esempio) Perché o perché no?

Probabilmente funzionerebbe bene, ma perché preoccuparsi di "probabilmente" se è possibile aumentare le probabilità posizionando un componente che costa pochi centesimi, anche un solo centesimo in alcuni casi?

Praticamente ogni circuito integrato dovrebbe avere un condensatore di disaccoppiamento. Se il foglio dati non specifica nulla, metti almeno un tappo in ceramica da 0,1 uF vicino al pin di alimentazione dell'IC, valutato per almeno il doppio della tensione che stai utilizzando.

Molte cose richiedono più capacità sull'ingresso. Spesso è possibile trovare tali consigli in fogli dati, note app o schemi di kit di valutazione.

Consente di togliere un po 'della magia sui cappucci di bypass, migliorando il modello di circuito; 7400 cancelli di famiglia si presentano così:

Questo gate, disponibile in un pacchetto 3 in uno, offre un drive elevato (grande dissolvenza) e una velocità elevata. All'interno di un 74195, non abbiamo bisogno di tutto quel disco. Abbiamo bisogno di velocità. Assumeremo un tiro di 2 mA per gate (~~ 15 gate per FF)

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Dobbiamo memorizzare una carica sufficiente per 1uS di attività di clock impegnata. PERCHÉ? Perché usare 1uS? Perché grandi condensatori e fili lunghi suoneranno e sconvolgeranno il VDD sull'IC, a meno che non siano smorzati. Quale frequenza di squillo? 1uH e 1uF producono 0,159 KHz. Come smorzare?

Usa Q = 1 [definito come Q = ZL / R = 2 (pi Fring L / R)] e Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), troviamo Rdampen = sqrt (L / C). Per 1uH e 1uF, è necessario UNO OHM.

Considera questo circuito per un buon controllo dello squillo VDD:

^{simula questo circuito}

Cosa ci dice Signal Chain Explorer su questo smorzamento di 1_ohm?

Sorpresa? L'ingegnere della logica deve anche PROGETTARE il filtro VDD e lo smorzamento VDD.

Per rispondere alla tua domanda in breve: DC non passa attraverso il condensatore, AC lo fa. La maggior parte del rumore è il rumore accoppiato in CA, o / e presenta caratteristiche in CA, ovvero commutazione + - un certo valore in CC. Per adattarsi a queste modifiche, si utilizza un condensatore DECOUPLING. Accorcia semplicemente i segnali AC. C'è un mare abbondante di fantastiche note app su perché e come funzionano: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Inoltre, il discorso sui serbatoi / i condensatori di smoothing - illustrarlo in questo thread confonde appena i nuovi arrivati ​​in termini di terminologia.
Il livellamento viene eseguito per creare una tensione molto costante. Ad esempio, alcune uscite di sensori / circuiti dipendono in modo proporzionale dalla loro tensione di alimentazione. Le increspature nella fornitura influenzeranno direttamente la loro produzione.

Il condensatore è un elemento di conservazione e consente di risparmiare energia sotto forma di carica. Tornando al tappo di disaccoppiamento, viene anche chiamato come condensatore di bypass poiché eviterà l'ondulazione di alimentazione e questo cappuccio carico cercherà di mantenere una tensione continua fissa sul pin VDD.

Sono necessari per ridurre l'impedenza del sistema di erogazione di energia. Alle alte frequenze gli alimentatori presentano un'impedenza in serie non trascurabile principalmente a causa dell'induttanza delle reti elettriche. Dai un'occhiata alla sezione "Crollo ferroviario in integrità energetica" del seguente articolo che può aiutarti a comprendere l'idea: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/