Differenza: filtro passa basso e condensatore grande?

Quando si lavora con microcontrollori, si consiglia di posizionare i condensatori di filtro / disaccoppiamento tra un pin di alimentazione e la terra. Comprendo lo scopo di questa implementazione, vale a dire che la tensione attraverso un condensatore non può cambiare istantaneamente, ma quali sono le differenze eccezionali tra un condensatore singolare e un filtro passa-basso?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ad esempio, se volevo fornire alla mia tensione di riferimento ADC un'alimentazione pulita per confrontare le tensioni di ingresso, potrei realizzare un filtro passa-basso per rifiutare le fluttuazioni delle alte frequenze o semplicemente inserire un condensatore di dimensioni adeguate.

Il mio pensiero immediato è che la richiesta di corrente iniziale di un singolo condensatore potrebbe momentaneamente superare il valore massimo dell'MCU, ma con un resistore questa corrente sarebbe limitata. Non sarebbe quello con un LPF (con un resistore) che si potrebbe potenzialmente progettare in modo tale che l'impedenza di uscita del filtro sia infinita da non caricare l'ADC? Allo stesso modo, un solo condensatore fornirebbe un filtraggio di tensione sufficiente ma non determinerebbe una bassa impedenza di uscita?

Quali sono i pro e i contro di ogni realizzazione del filtro e quando un designer dovrebbe usare l'uno o l'altro?

Qualche altro pensiero?

Il cappuccio vicino al pin di alimentazione non protegge la parte dal rumore, ma impedisce alla parte di generare rumore poiché la commutazione logica provoca rapidi cambiamenti nella corrente di alimentazione. Idealmente, il cappuccio fornirebbe richieste istantanee per più corrente senza aumentare la corrente fino alla fonte di alimentazione.

La somma delle impedenze sul lato PSU del circuito - l'impedenza interna del PSU più l'induttanza, la resistenza e la capacità delle tracce o dei piani - è sufficiente per fornire un filtro passa basso sul lato di ingresso del cappuccio. Penso al tappo come un piccolo alimentatore in grado di rispondere alle esigenze con una larghezza di banda nella gamma multi-MHz. I regolatori più grandi che forniscono un circuito completo reagiscono troppo lentamente e il cappuccio è una fonte temporanea di energia che sostituisce o elimina (o disaccoppia) l'alimentatore. Posizionare il cappuccio vicino al pin di alimentazione su un chip riduce al minimo la resistenza e l'induttanza che rallenterebbero la risposta.

Le parti CMOS consumano la maggior parte della loro potenza mentre cambiano stato. Per i microprocessori ciò significa sui bordi dell'orologio e l'assorbimento di corrente è in picchi veloci. Le dimensioni dei picchi variano tanto quanto l'orologio in quanto ogni istruzione utilizza diverse combinazioni di circuiti interni. Immagina i circuiti utilizzati nel controllo di un registro per zero rispetto al recupero dei dati dalla RAM. La potenza necessaria oscilla alla frequenza di clock. Maggiore è il cambiamento attuale, maggiore è il limite. Calcolare la giusta dimensione è una questione di stima per la maggior parte di noi e il tappo in ceramica da 0,1uF è così comune che ha un costo molto basso. Anche la costruzione del condensatore è una preoccupazione, oltre che il cambiamento della temperatura. Alcuni possono rispondere più rapidamente di altri e alcuni variano dell'80% nell'intervallo di temperature commerciali.

Sono anche chiamati cappucci di bypass perché: 1) Possono "bypassare" il rumore dell'alimentatore ad alta frequenza (breve) a terra. 2) Possono "bypassare" l'alimentatore e rispondere alle richieste di alimentazione ad alta frequenza.

Chiamato anche "tappi di disaccoppiamento", un termine più accurato per le alte frequenze in quanto "disaccoppiano" la richiesta di potenza tra la parte e l'alimentatore.

La breve risposta:

Un condensatore da solo è buono per fornire energia quando l'assorbimento di potenza MCU cambia rapidamente. Il filtro RC viene utilizzato per bloccare segnali ad alta frequenza indesiderati.

La risposta looong:

I due circuiti diversi vengono utilizzati per scopi diversi. Come hai detto, la tensione attraverso un condensatore non può cambiare istantaneamente.

Sono sicuro che lo sai

1. Un MCU richiede una tensione minima per funzionare
2. Una MCU richiede una quantità variabile di energia durante il funzionamento

Poiché la potenza equivale alla tensione * corrente (P = VI) e la tensione deve essere costante, qualsiasi variazione di potenza si manifesta come variazione di corrente.

Per un ipotetico progetto con un regolatore di tensione e un MCU:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Supponiamo di rimuovere C2:

^{simula questo circuito}

(Mi dispiace per i vari schemi che non ho creato un account per quel sito schematico e devo continuare a ridisegnarlo)

Se il regolatore di tensione che sta fornendo energia all'MCU fosse perfetto e non ci fossero induttanze parassite o resistenza alla traccia, l'MCU assorbirebbe una quantità variabile di corrente e il regolatore non abbasserebbe o aumenterebbe la sua tensione. Purtroppo nel mondo reale un circuito stampato assomiglia più a questo:

^{simula questo circuito}

(Nota rapida: in questo contesto un induttore può essere pensato come un resistore ad alta frequenza)

A causa dell'induttanza parassita dalla scheda, della resistenza alla traccia e del fatto che i regolatori non sono in grado di rispondere alle variazioni di assorbimento di corrente all'istante, la tensione diminuirà e aumenterà quando l'MCU assorbe più o meno corrente rispettivamente.

Come riferimento qui è un grafico da una scheda tecnica LM7805

ST 7805

Ciò mostra il tempo di risposta finito della tensione di uscita regolata LM7805 (il triangolo si abbassa e si scuote nella linea di fondo) quando il carico aumenta e diminuisce. Se il regolatore fosse perfetto, la "Deviazione di tensione" non aumenterebbe o diminuirà quando si verifica un aumento o una diminuzione della corrente relativamente rapidi.

Capisco che gli induttori possono essere un po 'confusi da usare all'inizio, quindi per semplicità puoi sostituire l'induttore nello schema sopra con un resistore e aggiungere i due resistori insieme e hai un resistore tra il tuo regolatore e MCU. Ciò è negativo perché V = IR e maggiore è la corrente assorbita dall'MCU, maggiore sarà la caduta di tensione che si vedrà sul resistore. (Spiegherò di più su cosa fanno questi resistori di seguito quando parlo di filtri RC.

Torna al design originale. Il condensatore di bypass viene inserito il più vicino possibile all'MCU in modo che tutte le induttanze e le resistenze rilevate su una scheda del circuito e il fatto che un regolatore non possa rispondere istantaneamente non influiranno sul livello di tensione sull'MCU.

Per il tuo secondo circuito (RC)

^{simula questo circuito}

Il motivo per cui un resistore non deve essere aggiunto per bypassare un MCU è perché la tensione attraverso un resistore è relativa alla corrente che viene assorbita attraverso di esso. Questo è importante perché se una MCU funziona a 5 V e assorbe 10 mA in riposo (funzionando senza fare nulla), allora c'è una caduta di tensione attraverso quel resistore di:

R * 10mA = Vdrop

Quindi, se avessi una resistenza di 50 ohm, lasceresti cadere 0,5 V, questo potrebbe resettare il tuo MCU.

Un filtro passa-basso come il filtro RC che hai disegnato non è buono per fornire energia ma è utile per filtrare i componenti ad alta frequenza di un segnale.

Questo è ottimo per i segnali che vengono letti con un ADC perché un ADC può campionare solo a una frequenza specifica, quindi se un segnale sta cambiando a una frequenza maggiore dei segnali ad alta frequenza (in realtà 1/2 della frequenza dovuta al teorema di Nyquist ) verrà visualizzato come rumore casuale, quindi è bene rimuoverlo con un filtro RC.

Ad esempio, hai un ADC che esegue il campionamento a una velocità di 10 Khz

e vuoi leggere un sensore analogico che cambia solo ad una frequenza di 1KHz quindi puoi impostare il tuo filtro RC per filtrare i segnali superiori a 5Khz (probabilmente non vuoi iniziare a filtrare a 1Khz perché un filtro RC ha un piccolo quantità di attenuazione al di sotto della frequenza con cui è progettato per filtrare.

Quindi per progettare un filtro RC per raggiungere questo obiettivo è possibile utilizzare un resistore di:

330 Ohm e una capacità di .1uF

Ecco un ottimo calcolatore se è necessario risolverlo per qualsiasi altra frequenza:

Fantastico calcolatore RC

Spero di essere rimasto abbastanza sull'argomento per rispondere alla tua domanda.

La differenza è che il posizionamento del solo condensatore dipende sia dall'impedenza di alimentazione che dall'impedenza di alimentazione del chip per compensare il resto del filtro passa-basso. Cioè, entrambe le istanze creano un LPF, il resistore esplicito è semplicemente per sintonizzarlo.

Hai ragione. Questa è la tecnica di disaccoppiamento e dobbiamo seguire i suggerimenti dei produttori. Il disaccoppiamento tipico è costituito da:

-> Un grande condensatore elettrolitico (10 ~ 100μF) a non più di 5 cm dal chip. Lo scopo di questo condensatore è di fornire "localmente" i requisiti di corrente istantanea, evitando di prelevare questa potenza dalla linea di alimentazione principale e la loro impedenza. o Questo è un condensatore ESR basso. -> Un condensatore più piccolo (0,01 μF - 0,1 μF) il più vicino possibile ai pin di alimentazione dell'IC, per far uscire i componenti HF dall'IC. Entrambi i condensatori devono essere collegati a una vasta area di terra su PCB per un'induttanza minima. -> Un letto di ferrite in serie con pin Vcc di IC, per ridurre l'IME da e verso questo IC.

Come puoi giudicare, le precedenti sono tecniche generali per IC lineari e digitali. Ma il filtro RC che stai disegnando, è dedicato al disaccoppiamento digitale IC. I cambiamenti nello stato delle porte digitali causano una fluttuazione della tensione PS a causa dell'impedenza delle tracce. Il rumore ad alta frequenza può essere ridotto al minimo mediante topologie RC o LC. Nel filtro LC, il rumore appare attraverso la bobina anziché nel chip o nel circuito di alimentazione. Fornisce un filtro molto efficiente ma ha una frequenza di risonanza che può irradiare EMI. Un letto in ferrite può essere utilizzato al posto dell'induttore.

Il filtro RC di cui parli, converte il rumore in calore e come tale viene dissipato. Con è che il resistore introduce una caduta di tensione nella tensione fornita. D'altra parte il filtro RC è meno costoso. Alcune volte è possibile trovare una resistenza a filo avvolto anziché un induttore

Quanto sopra è raccomandato da Silicon Labs e Analog Devices

il filtro passa-basso viene utilizzato per bloccare i segnali ad alta frequenza e di rumore al di sopra di una particolare frequenza. La risonanza si verifica a quella particolare frequenza. Tutti i segnali al di sopra della frequenza di risonanza saranno messi a terra e sul condensatore singulasr che hai descritto allo stesso modo.

Il filtro RC viene utilizzato al posto del filtro LC per scopi economici.