Sostituzione del condensatore in alluminio con condensatore al tantalio per bypass di massa dell'accelerometro

Attualmente sto lavorando a un progetto che include l'accelerometro AIS3624DQ di ST. Nel foglio dati , dice (sezione 4, pagina 17):

"I condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione (ceramica 100 nF, alluminio 10 μF) devono essere posizionati il ​​più vicino possibile al pin 14 del dispositivo (pratica di progettazione comune)."

Posso sostituire l'alluminio 10μF (a causa delle sue grandi dimensioni) con un condensatore al tantalio?

È possibile sostituire l'elettrolitico di alluminio con un tantalio, ma utilizzando nessuno dei due è una scelta molto migliore.

Al giorno d'oggi, la ceramica può facilmente coprire i 10 µF a una gamma di 10 volt. Non ha senso usare né elettrolitico né tantalio. Inoltre, non è necessario un condensatore separato da 100 nF (quel valore è comunque così degli anni '80) se si utilizza una ceramica per un valore maggiore.

Pensa a cosa sta succedendo qui e cosa sta cercando di dire la scheda tecnica. Questi dispositivi sono noti per essere abbastanza sensibili al rumore dell'alimentazione. In realtà ho visto amplificare una parte simileondulazione di potenza dall'alimentatore all'uscita. Il foglio dati vuole quindi che al dispositivo venga inserita una "grande" capacità sulla linea di alimentazione. Ecco da dove provengono i 10 µF. All'epoca in cui questo foglio dati era stato scritto, o chiunque lo avesse scritto ha smesso di tenere il passo con gli sviluppi, 10 µF erano una richiesta irragionevolmente grande per qualsiasi tecnologia di condensatore che fosse efficace alle alte frequenze. Quindi suggeriscono un elettrolitico per la capacità "bulk" di 10 µF, ma per posizionare una ceramica da 100 nF su quella. Quella ceramica avrà un'impedenza inferiore alle alte frequenze rispetto all'elettrolitico, nonostante abbia una capacità 100 volte inferiore.

Anche negli ultimi 15-20 anni circa, quel 100 nF avrebbe potuto essere di 1 µF senza essere gravoso. Il valore comune di 100 nF deriva dagli antichi giorni del foro passante. Era il condensatore ceramico economico di dimensioni maggiori che funzionava ancora come un condensatore alle alte frequenze richieste dai chip digitali. Guarda le schede dei computer degli anni '70 e vedrai un condensatore del disco da 100 nF accanto a ciascuno dei circuiti integrati digitali.

Sfortunatamente, l'uso di 100 nF per il bypass ad alta frequenza è diventato una leggenda a sé stante. Tuttavia, i condensatori ceramici multistrato da 1 µF di oggi sono economici e in realtà hanno caratteristiche migliori rispetto ai vecchi tappi a piombo da 100 nF del Pleistocene. Dai un'occhiata a un'impedenza rispetto al grafico della frequenza di una famiglia di tappi in ceramica e vedrai che 1 µF ha un'impedenza inferiore quasi ovunque rispetto ai 100 nF. Potrebbe esserci un piccolo calo nei 100 nF vicino al suo punto di risonanza dove ha un'impedenza inferiore a 1 µF, ma sarà piccolo e poco rilevante.

Quindi, la risposta alla tua domanda è quella di utilizzare una singola ceramica da 10 µF. Assicurati che qualunque cosa tu usi ancora sia effettivamente 10 µF o più alla tensione di alimentazione che stai usando. Alcuni tipi di ceramica scendono in capacità con la tensione applicata. Attualmente è possibile utilizzare una ceramica da 15 o 20 µF e avere caratteristiche migliori su tutta la linea rispetto alla ceramica da 100 nF e all'elettrolitico da 10 µF raccomandati dalla scheda tecnica.

Contrariamente alla risposta di Olin Lathrop, i condensatori ceramici non sono la soluzione a tutti i problemi di bypass a livello di scheda. È anche possibile che la scelta dei soli condensatori ceramici sia dannosa per le prestazioni di un design.

Un fatto importante su alcune formulazioni dielettriche ceramiche è che esibiscono un comportamento piezoelettrico: possono convertire l'energia meccanica in / da energia elettrica. Per un accelerometro, questo comportamento microfonico può accoppiare 100s di vibrazioni Hz all'alimentazione del dispositivo. Questa vibrazione è esattamente nella banda di frequenza di interesse perché è ciò che l'accelerometro sta misurando, il che significa che non può essere filtrato digitalmente.

I condensatori ceramici hanno anche una caratteristica perdita di capacità con polarizzazione CC applicata. Ad esempio, la capacità rispetto alla curva di polarizzazione CC del dispositivo Murata GRM188R61A106KAAL # è:

Dal grafico interattivo, all'ingresso operativo tipico di 3,3 V, questo specifico condensatore ha solo una capacità effettiva di 5,337 uF, una perdita di quasi il 50% della capacità nominale a meno della metà della polarizzazione CC nominale. Mentre la capacità di massa di questa applicazione non richiede un valore specifico, questo può essere un "gotcha" per le applicazioni con un requisito di capacità minimo.

Inoltre, l'ESR dei condensatori elettrolitici e al tantalio di alluminio può essere vantaggioso . Poiché rende il condensatore in perdita, smorza le oscillazioni e può aiutare a limitare i picchi di transitori. Linear Technology ha una nota applicativa che descrive i rischi derivanti dall'uso di soli condensatori ceramici sugli ingressi dell'alimentatore hot plug. Inoltre, alcuni alimentatori hanno requisiti ESR di capacità di bypass in uscita, come discusso in questa nota sull'applicazione TI. Per utilizzare condensatori ceramici a bassissimo ESR in realtà è necessario sconfiggere il loro basso ESR installando una resistenza da 10s di milliohm in serie con il condensatore.

Il condensatore in alluminio sembra essere un dispositivo di bypass di massa .

I tantalio in genere hanno un ESR inferiore rispetto ai dispositivi in ​​alluminio, ma ciò non dovrebbe essere importante in questo caso poiché il dispositivo ceramico sarà comunque ESR basso.

Quindi dovresti stare bene usando un dispositivo al tantalio al posto dell'elettrolitico di alluminio.

Assicurati di utilizzare un dispositivo valutato per almeno 2 Vcc.

Ci sono già alcune buone risposte (basta usare MLCC), ma aggiungerei che per il disaccoppiamento ad alta frequenza dovresti usare strati strettamente accoppiati (cioè senza nucleo tra) di tensione di alimentazione e terra. Rendi la loro area di sovrapposizione la più ampia possibile e posiziona più vie il più vicino possibile ai pin di alimentazione / terra dell'IC. Questo è il modo migliore per ottenere il disaccoppiamento ad alta frequenza. Quindi posizionare i condensatori MLCC il più vicino possibile a tali vie. Evita valori multipli di condensatore e piuttosto usali con più condensatori identici se uno non è abbastanza. Il rischio di utilizzare ad esempio 10n, 100n, 1u in parallelo sono picchi di impedenza risonanti.

Questo sopra ti darà l'impedenza totale più bassa per il tuo disaccoppiamento.

Inoltre, dovresti evitare le microsfere di ferrite per i circuiti integrati digitali, ma questo è ovviamente implicito in quanto sopra.