Come scegliere il condensatore per un circuito integrato


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Sono un principiante in elettronica dall'industria del software. Con alcune cose autodidatta, sto cercando di implementare alcuni circuiti base di Arduino. La mia confusione riguarda principalmente i condensatori. La mia comprensione dei condensatori è che agiscono come accumulatore di energia per pochi secondi o millisecondi.

Ho scoperto che la maggior parte dei circuiti integrati devono avere condensatori collegati ai loro pin.

La mia confusione è come scoprire quali pin necessitano di un condensatore e come trovare il condensatore corretto per un circuito o un condensatore per un circuito integrato.

Infine, perché in tali situazioni sono necessari condensatori in un circuito?


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Ecco a cosa servono i fogli dati dell'IC.
— Brian Drummond,

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Uno strano trucco per il successo dell'ingegneria elettrica: leggi la scheda
— tecnica

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Innanzitutto, RTFM (fare riferimento al manuale fine, noto anche come scheda tecnica).
— Spehro Pefhany,

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@SpehroPefhany RTFM (refer to the fine manual)Che bel modo di dirlo, l'ho mai sentito solo come l'alternativa Read the f****** manualXD
— DerStrom8,

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@Cuadue L'ho provato e non riuscivo a credere a quello che è successo dopo ...
— nitro2k01

Risposte:


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Quello a cui ti riferisci si chiama condensatore di disaccoppiamento e viene utilizzato per disaccoppiarei pin di alimentazione IC dal bus. In altre parole, impedisce a un circuito integrato sensibile di "morire di fame" se un altro dispositivo sul bus si accende rapidamente e assorbe una corrente significativa, che farebbe cadere la tensione del bus per un periodo di tempo. Il condensatore fornisce la corrente aggiuntiva necessaria per avviare il dispositivo e per evitare che il suo chip subisca gli effetti di un bus carico improvviso. Ciò è generalmente richiesto per i dispositivi ad alta velocità che cambiano molto rapidamente, poiché tende ad assorbire corrente significativa. Il condensatore non è necessariamente scelto dalla sua capacità, ma dal suo ESR (resistenza in serie equivalente) e dal suo ESL (induttanza in serie equivalente). Idealmente, dovresti determinare la velocità alla quale il dispositivo si accenderebbe e scegliere il condensatore con ESR / ESL più basso per quella velocità. Il valore più comune del condensatore di disaccoppiamento è probabilmente 0. 1uF ma per circuiti più veloci potresti aver bisogno di 0,01uF o 0,001uF (di nuovo, a seconda del loro ESR e ESL a quelle velocità). Se nello stesso bus sono presenti più dispositivi con velocità diverse, potrebbe essere necessario più di un condensatore di disaccoppiamento, uno per ciascuna velocità.

99 volte su 100 i fogli dati ti diranno esattamente quale valore disaccoppiare i condensatori da usare su quali pin, quindi leggi il foglio dati. Questo tutorial di Analog Devices è anche un'ottima risorsa.


Sento che questa risposta sembra buona ma non è davvero completa o strettamente corretta. L'ESR e l'ESL sono più importanti per servire le correnti di commutazione dei circuiti digitali senza caricare il resto del bus, che è il contrario della definizione di disaccoppiamento dei cappucci. La velocità di accensione non è così importante, e ESR ed ESL sono parassiti costanti e non cambiano con la "velocità" come implicite. Il valore del condensatore non ha importanza per il disaccoppiamento dei circuiti integrati ad alta velocità, solo il pacchetto ESL / (ovviamente diverso per i condensatori di massa). Hai ragione a guardare la scheda tecnica, ma penso che la spiegazione sia errata.
— jalalipop,

@jalalipop Se guardi la scheda tecnica di un condensatore noterai che l'ESR / ESL cambia su una gamma di frequenze. C'è un certo punto nella gamma di frequenza in cui l'ESR / ESL è al minimo. Questo è ciò a cui mi riferisco. Vedi questa immagine: i.stack.imgur.com/zmMpK.gif
— DerStrom8

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Vuoi scegliere un condensatore il cui valore di impedenza più basso è alla frequenza a cui stai commutando
— DerStrom8

Innanzitutto, si tratta di un diagramma di impedenza, non di ESR / ESL, sebbene siano ovviamente correlati. In secondo luogo, non è corretto che la frequenza di commutazione sia importante. Il disaccoppiamento nei circuiti digitali riguarda davvero il contenuto di frequenza del tempo di salita / discesa, indipendentemente dalla frequenza di commutazione. La trama che hai pubblicato dimostra in realtà che, nelle alte frequenze che contano effettivamente per il disaccoppiamento (ovvero per il rumore HF e per i bordi dei segnali digitali), tutti i condensatori in un pacchetto simile funzionano allo stesso modo a causa dell'induttanza parassitaria. Potrei andare avanti ...
— jalalipop,

Ammetto "commutazione della frequenza" non era il termine corretto uso, anche se disaccoppiamento non diventa più di un requisito in circuiti più veloci a causa della salita e di discesa volte durante l'accensione / o sequenza e di commutazione. Questo è ciò che volevo dire con questa linea: Ideally you would determine the speed at which the device would turn on, and pick the capacitor with the lowest ESR/ESL for that speed. Un dispositivo che si accende più rapidamente (che significa accensione o commutazione dell'uscita da alto a basso) dovrà essere selezionato come disaccoppiamento a seconda dell'ESL per quella velocità. E impedenza = resistenza + jreactance
— DerStrom8

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È tutto dovuto all'induttanza:

Supponiamo che il tuo microcontrollore assorba corrente di alimentazione che sale da 1 mA a 11 mA in 5 ns, quindi torna a 1 mA ogni volta che elabora un'istruzione.

di / dt = 10mA / 5ns = 2 000 000 A / s

Ora, la tensione attraverso un induttore è v = L di / dt e la traccia dall'alimentazione al microcontrollore ha, diciamo induttanza 50nH ...

v = L di / dt = 100mV calo sull'alimentazione.

OK, non si arresta ancora, perché è un micro lento, non usa molta corrente ... ma un micro più veloce o un altro chip che disegna picchi di corrente più veloci / più alti deve avere la sua potenza proveniente da una fonte a bassa induttanza evitare l'abbassamento della tensione quando assorbe impulsi di corrente e un condensatore posizionato vicino è un buon modo per raggiungere questo obiettivo.

Altrettanto importante è il fatto che il condensatore mantiene la corrente rumorosa assorbita dal micro in un piccolo circuito locale.

L'efficienza dell'antenna ad anello è proporzionale all'area, quindi la quantità di rumore irradiato sarà molto inferiore quando il condensatore è vicino.

Anche se hai altri componenti, ad esempio un opamp sulla stessa alimentazione, il condensatore sul micro impedirà al rumore del micro di rovinare l'alimentazione degli opamp, che tende a causare un po 'di immondizia in uscita ...

Quindi qui ce l'hai, i cappellini fanno:

  • integrità energetica: i tappi servono una corrente di alimentazione elevata di / dt localmente
  • EMI: ridurre l'area dell'antenna ad anello
  • EMC: mantenere il rumore lontano dagli altri dispositivi sensibili

Ora, come scegliere il valore:

  • Un rotolo di 100x 25V 0805 X7R costa € 1,40 per 100nF e € 5,40 per 1µF. Quindi, acquista un rotolo da 100 di 1µF.
  • Ogni volta che devi mettere un condensatore di disaccoppiamento sul tuo circuito, ricorda se passi 10 minuti a leggere la scheda tecnica e scopri che 100nF funzionerà, beh, hai perso solo 10 minuti e risparmiato 4 centesimi se costruisci solo un'unità ...
  • Ho appena inserito 1µF, garantito per funzionare ogni volta. Inoltre ha meno squilli, funziona meglio con gli elettrolitici ESR-bassi, ecc ...
  • Anche io uso tappi da 25 V, quindi devo solo immagazzinare un valore da 3,3 V a 15 V ...

Un riassunto conciso davvero.
— analogsystemsrf

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Se vai in giro attaccando 25V X7R, non consideri alcun declassamento DC che rende inefficace il tappo? Il declassamento su un'alimentazione tipica di +/- 15 V potrebbe essere> 50% ...
— Paul Uszak,

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Sì, hai ragione sul declassamento. Concordo considerando un punto di vista ingegneristico, se fai migliaia di schede, devi pensarci. Non sono d'accordo considerando un'impostazione elettronica fai-da-te. Ho una bobina da 1µF / 25V che costa poco a causa dello sconto sulla quantità. Quindi sono come 300-500nF a 15V ... 100nF sarebbe abbastanza ... Quindi questa bobina di tappi è sostanzialmente "disaccoppiando tappi qualunque sia il valore" e ... funzionerà.
— peufeu,

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Quindi la mia confusione è come trovare a quali pin abbiamo bisogno di un capcitor per connetterci

Per ogni chip che usi, ci sarà una scheda tecnica che ti dice e se non ti dice che è perché il chip proviene da una particolare famiglia logica (per esempio) e ci sarà una scheda tecnica generica del produttore per la famiglia che te lo dirò.

Inoltre, come trovare il condensatore corretto per un circuito o un condensatore per un circuito integrato.

Vedi quanto sopra - è nella scheda tecnica.

E infine perché in tali situazioni è necessario un condensatore in un circuito?

Molti chip "consumeranno" impulsi di corrente e il condensatore fornirà quegli impulsi di energia in modo che l'intero cablaggio di alimentazione (o le tracce su un PCB) non debbano gestire tali istanze. Ciò significa una maggiore affidabilità e meno emissioni irradiate e condotte ad altri chip e sistemi.

Alcuni circuiti integrati come gli amplificatori operazionali si affideranno a condensatori per mantenere le prestazioni ed evitare instabilità in uscita soprattutto quando si guidano alcuni carichi.


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Livello 1 (spesso abbastanza buono. Non sempre.): Basta schiaffeggiare su> 10uF e 100nF in parallelo, quest'ultimo con i cavi più corti possibile.

Livello 2: basta leggere la scheda tecnica, come suggerito.

Livello 3: leggi la nota sulla tecnologia lineare 47.

Inoltre, considera l'utilizzo di microsfere di ferrite nei circuiti di disaccoppiamento.


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Per quello che so, la capacità non è così importante, è solo per un po 'di energia "troppo" tra VSS e GND. Ecco perché normalmente vengono utilizzati condensatori molto bassi. Uso principalmente quelli in ceramica con marcatura 104 (che significa 10e4) che è 10e4 pF che è 0,1 uF.


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104 = 10 * 10 ^ 4 pF = 0.1uF
— calcio 3000

Grazie per il miglioramento, ho cambiato la mia risposta di conseguenza.
— Michel Keijzers,

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@MichelKeijzers L'ho già aggiornato per te :)
— DerStrom8,

@ DerStrom8 e ho votato a favore della tua (spiegata molto meglio della mia risposta da "principiante"
— Michel Keijzers,

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@MichelKeijzers Molto obbligato!
— DerStrom8,

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Dare a ciascun pin di alimentazione un cappuccio in ceramica da 0,1 µF, preferibilmente di dimensioni 0805 o inferiori, in parallelo con un tantalio o una ceramica da 10 µF. Probabilmente puoi omettere il tappo da 10 µF o sostituirlo con qualcosa di più piccolo, se ti preoccupi solo del rumore ad alta frequenza. La posizione dei condensatori più grandi destinati al bypass a bassa frequenza non è così critica, ma dovrebbero anche essere vicini all'IC — entro mezzo pollice.


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Questa non è solo una risposta incompleta, ma è anche troppo generalizzata e molto poco informativa.
— DerStrom8,

Detesto per ridimensionarlo - potrebbe non spiegare lo sfondo, ma non è male come consiglio "funziona nella maggior parte dei casi".
— rackandboneman,
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