Что такое блокировочный конденсатор
Что такое блокировочный конденсатор
Когда между определёнными точками или блоками схемы необходимо создать связь по переменному току, заблокировав при этом протекание постоянного тока, используется электронные компоненты, обеспечивающие связь только по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы.
Если речь идёт о каскадах усилителя, подобные конденсаторы принято называть блокировочным или разделительным конденсатором.
Рис.1. Применение разделительного конденсатора
В схеме, приведенной на рис.1. конденсатор связывает точки А и Б по переменному току, R – сопротивление нагрузки. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и Б. В реальной схеме, в роли нагрузочного резистора выступает следующий каскад усиления.
В данной схеме конденсатор C и резистор R образуют простейший фильтр верхних частот (ФВЧ).
Сам фильтр для переменного тока можно представить как простейший делитель напряжения, соотношения сопротивлений в котором будут зависеть от частоты, при этом, реактивное сопротивление конденсатора Xc расчитывается по следующей формуле:
При R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом. Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц.
Поскольку Хc = 1 / (2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C), то
C = 1 / 94247.78 = 10.61 (мкФ)
Из вышеизложенного следуют два основных правила:
Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.
При заданном сопротивлении нагрузки для низких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большей емкости, и наоборот.
Если же речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительного конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. В соответствии с расчетами очевидно, что конденсатор емкостью 10 мкФ обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. С другой стороны, конденсатор емкостью 0,1 мкФ обеспечивает адекватную связь при частоте 300 кГц, но непригоден для реализации связи по переменному току при частоте 300 Гц.
Развязывающий конденсатор
Рис.2. Влияние развязывающего конденсатора.
Один из примеров использования развязывающего конденсатора это усилительный каскад собранный на классической схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью (ООС).
Рис.3. Усилитель с развязывающим конденсатором в цепи эмиттера.
На рис.3 приведена схема усилителя построенного на классической схеме с общим эммитером (ОЭ). Здесь С1 — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (подробный расчёт номиналов смотрите в статье «Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером»). Конденсатор С2 связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора C1.
Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.
Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки
Полное понимание конденсаторов развязки (блокировочных конденсаторов) поможет вам правильно включать эти критически важные компоненты в ваши проекты.
Конденсаторы, конденсаторы везде
Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.
Опасности переходного тока
Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.
Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.
Схема моделирования 
Временные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питания
Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).
Пульсации напряжения питания
Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!
На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.
Пульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источника
Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.
Пульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времени
Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.
Решение
Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.
Во-первых, короткая заметка о терминологии. Компоненты, обсуждаемые в данной статье, регулярно упоминаются и как «блокировочные конденсаторы», и как «конденсаторы развязки». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть схемы влияет на другую, а «блокирование» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли. Оба термина могут быть правильно использоваться, поскольку блокировочный конденсатор / конденсатор развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается термину «блокировочный конденсатор», чтобы избежать путаницы с последовательным конденсатором развязки, используемым для блокирования постоянной составляющей сигнала.
Заряд и разряд
Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.
Схема моделирования 
Временная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряжения
Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.
Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.
Стандартный подход
Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.
Классическая схема блокировки пульсаций напряжения питания
Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.
Если мы включим эти блокировочные конденсаторы в схему моделирования с 8-ю инверторами, рассмотренную выше, звон будет устранен, а величина возмущений напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ.
Временная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторов
Идеал и реальность
На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.
Результаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторов
Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.
Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.
Блокировочные конденсаторы в цепях питания
Для отсутствия паразитных связей линия питания по переменному току в связной аппаратуре должна быть замкнута на корпус (общий провод). Это в идеале. На практике же модуль импеданса между этой линией и корпусом всегда больше нуля. На относительно низких частотах (до сотен килогерц) проще всего обеспечить низкий импеданс переменному току между питанием и корпусом применением интегральных стабилизаторов. Их динамическое (переменному току) сопротивление очень мало на низких частотах (миллиомы) и возрастает до десятых долей ома на сотнях килогерц.
На высоких частотах используют керамические блокировочные конденсаторы. Казалось бы, это простой элемент: с ростом частоты импеданс конденсатора должен падать. Но действительность сложнее.
На рис. 1 показаны измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырёх разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ. Все эти конденсаторы были с выводами примерно по 3. 4 мм. Выше определённой частоты (она «своя» для каждого конденсатора) JX меняет знак и становится положительным. Выше этой частоты (называемой собственной резонансной) по импедансу это уже не конденсатор, а маленькая индуктивность, положительное реактивное сопротивление которой растёт с частотой.
Рис. 1. Измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырёх разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ
Поверхностно монтируемые типоразмера 0805
Результаты, показанные на рис. 1, типичны для конденсаторов с короткими выводами. У безвыводных (детали для поверхностного монтажа) конденсаторов из-за отсутствия выводов и их паразитной индуктивности резонансные частоты собственного резонанса выше, но не очень намного. Это различие сильнее выражено у конденсаторов большей ёмкости, как показано в таблице. Причина этого в том, что конденсаторы большой ёмкости выполняют многослойными. Из-за этого их внутренняя паразитная индуктивность мала (N параллельно соединённых обкладок уменьшают индуктивность в N раз). Поэтому общая паразитная индуктивность конденсатора большой ёмкости определяется в основном внешними выводами.
Если ваше устройство работает в относительно узком диапазоне частот, то лучшим в качестве блокировочного будет конденсатор максимальной ёмкости, у которого собственная резонсная частота приблизительно равна центральной частоте в устройстве. При этом модуль импеданса между питанием и корпусом будет наименьшим.
Очевидным вариантом в этом случае представляется параллельное соединение нескольких блокировочных конденсаторов разной ёмкости, с собственными резонансными частотами равномерно (по логарифмической шкале) распределёнными по всей требуемой полосе. Кажется, что по мере роста частоты выше собственной резонансной конденсатора самой большой ёмкости, в дело будут вступать более высокочастотные конденсаторы меньшей ёмкости, шунтируя собой паразитную индуктивность низкочастотного конденсатора. И в результате во всей полосе импеданс такой системы будет низким.
Но жизнь опять оказывается сложнее таких теоретических прикидок. Посмотрите на пунктирную линию на рис. 1. Это измеренный модуль импеданса системы из четырёх параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ, 3300 пФ, 1000 пФ и 220 пФ. По идее, такая система должна обеспечить отличную блокировку с низким импедансом в очень широкой полосе. Но измерения показывают, что наши ожидания не совсем оправдались. Ниже 20 МГц всё ожидаемо: модуль импеданса определяется наибольшим конденсаторам 0,1 мкФ. А вот выше, вместо ожидаемого спада импеданса из-за «перехвата» процесса более высокочастотными конденсаторами, мы видим отчётливые резонансные пики. Модуль импеданса на частотах 30, 80 и 160 МГц поднимается до 4. 6 Ом, вместо ожидаемых значений 0. 1 Ом (исходя из графиков рис. 1 для отдельных конденсаторов).
Следует учесть:при параллельном соединении нескольких блокировочных конденсаторов разной ёмкости между их собственными резонансными частотами (последовательного резонанса) обязательно найдутся частоты параллельного резонанса (индуктивность нижнего + ёмкость верхнего), на которых суммарный модуль импеданса увеличивается до нескольких ом.
Поэтому, если требуется заблокировать очень широкий спектр набором конденсаторов разной ёмкости, ваш каскад должен быть рассчитан на то, что на некоторых частотах импеданс линии питания на корпус будет достигать нескольких ом.
Попробуем иной путь блокировки линии питания. Раз параллельное соединение нескольких конденсаторов разной ёмкости приводит к паразитным параллельным резонансам, соединим параллельно несколько одинаковых блокировочных конденсаторов. Поскольку их собственные резонансные частоты равны, параллельный резонанс не образуется. Представляется, что собственная резонансная частота такого набора не изменится, а полоса блокировки расширится и вниз (параллельное соединение нескольких ёмкостей) и вверх (параллельное соединение нескольких индуктивностей).
Но практика вновь не совсем такова, как нам кажется. Посмотрите на рис. 2. На нём повторен график частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и наложен измеренный график JX для пяти параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ. На последнем графике есть ожидаемое уменьшение реактивности на низких частотах: параллельное соединение конденсаторов увеличивает ёмкость.
Рис. 2. График частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и измеренный график JX для пяти параллельно соединённых конденсаторов 0,1 мкФ
А вот расширения полосы вверх не произошло. Индуктивная составляющая выше резонанса идёт почти так же, как и для одного конденсатора. А сама частота собственного резонанса понизилась с 4,8 МГц для одного конденсатора до 3,6 МГц для пяти параллельно соединённых. Почему? Дело оказывается в том, что при параллельном соединении нескольких конденсаторов мы физически не можем сделать их выводы одинаковой длины до точки подключения. Один ближайший конденсатор будет с короткими выводами (и иметь такую зависимость JX, как показана на рис. 1 и рис. 2 для одного конденсатора). А вот все остальные конденсаторы будут расположены дальше. Их выводы (или печатные дорожки к ним) будут длиннее и соответственно больше паразитная индуктивность.
Поэтому при параллельном соединении конденсаторов их общая индуктивность почти не уменьшается. Она определяется наименьшей из всех, т. е. индуктивностью выводов ближайшего к точке измерения конденсатора. Из-за этого график JX для пяти конденсаторов на рис. 2 выше 10 МГц идёт почти так же, как и для одного конденсатора.
Становится понятным и снижение собственной резонансной частоты: ёмкость возросла впятеро, а индуктивность уменьшилась намного меньше, чем в пять раз (из-за того, что соединяются параллельно разные индуктивности: малая ближнего конденсатора и большие дальних).
Следует учесть:если блокировочный конденсатор собирается из большого числа параллельно включённых одинаковых, то собственная резонансная частота одного конденсатора должна быть выше верхней рабочей частоты. Такое соединение расширяет полосу блокировки вниз, но не расширяет её вверх по сравнению с одиночным конденсатором.
Как лучше выполнять блокировку питания по ВЧ широкополосных каскадов? Зависит от перекрытия по частоте (отношения верхней частоты к нижней).
Если перекрытие по частоте меньше 100. 200 (200. 400 для поверхностно монтируемых большой ёмкости), лучший результат дадут несколько одинаковых параллельных блокировочных конденсаторов. Возможно получение очень низкого (менее 1. 2 Ом, уменьшается с сужением перекрытия) модуля импеданса во всей полосе (см рис. 2).
Если перекрытие по частоте больше 500, надо параллельно соединять несколько конденсаторов разной ёмкости с разными собственными резонансными частотами. Но между этими частотами появятся паразитные параллельные резонансы, на которых модуль импеданса будет повышаться до нескольких ом (см. рис. 1).
В заключение замечу, что, имея в виду устойчивость против паразитного самовозбуждения на СВЧ, полезно выбирать верхнюю частоту блокировки исходя из частотных свойств активных элементов.
Автор: Игорь Гончаренко (DL2KQ), г. Бонн, Германия
Мнения читателей
Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:
Чистое питание для каждой микросхемы, часть 2: Выбор и использование блокировочных конденсаторов
Правильный выбор компонентов и тщательная компоновка печатной платы являются неотъемлемой частью развязки питания.
Емкость: сколько достаточно?
В конце предыдущей статьи мы представили идею о том, что эффективность конкретного конденсатора как части схемы блокировки (обхода источника питания) зависит от двух его неидеальных характеристик, а именно от эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). На самом деле, оказывается, что точная емкость компонента не особенно важна в контексте блокировки источника питания. Вот почему производители микросхем могут с уверенностью предлагать одну ту же рекомендацию – «керамический конденсатор 0,1 мкФ на каждом выводе питания» – для широкого спектра аналоговых и цифровых микросхем. Почему важность емкости относительно незначительна? Напомним, что емкость – это просто отношение заряда, хранящегося на пластинах конденсатора, к напряжению на конденсаторе.
Насколько величина заряда связана с применением конденсаторов в качестве блокировочных? Давайте посмотрим: ток (в амперах) определяется как количество заряда (в кулонах), проходящее через проводник в единицу времени (в секундах). Другой способ выразить это – через производную:
Следовательно, ток является скоростью изменения заряда во времени. Это означает, что если мы проинтегрируем ток по времени, то получим общий заряд:
Теперь давайте вернемся к промоделированным пульсациям питания, о которых говорилось в предыдущей статье. В цепи с 8 инверторами и паразитной индуктивностью 1 нГн, включенной последовательно с внутренним сопротивлением источника питания, генерируются следующие пульсации тока:
Пульсации тока в цепи
Это моделирование очень упрощено – количество требуемого заряда будет зависеть от числа инверторов в микросхеме, электрических характеристик транзисторов и так далее. Тем не менее, мы всё же можем заключить на основе этих расчетов, что один конденсатор емкостью 0,1 мкФ может хранить намного больше заряда, чем требуется для компенсации высокочастотных импульсов тока, генерируемых цифровым переключением. И это, в свою очередь, демонстрирует, почему точная емкость блокировочного конденсатора не особенно важна: до тех пор, пока конденсатор может хранить достаточный заряд, значение емкости подходит. Оказывается, что 0,1 мкФ является удобным значение, но конденсатор 1 мкФ, или даже 0,01 мкФ, могут быть одинаково подходящими по емкости.
Итак, теперь у нас есть еще один вопрос: ясно, что конденсатор на 10 мкФ обеспечит более чем достаточное пространство для заряда для требований блокировки, так зачем заморачиваться с конденсатором 0,1 мкФ? Это возвращает нас к обсуждению ESR и ESL.
Секретная жизнь конденсатора
Как показывает следующая эквивалентная схема, внутри конденсатора происходит гораздо больше, чем просто емкость:
Эквивалентная схема конденсатора
Для данного обсуждения нам не нужно беспокоиться о Rпар (который учитывает ток утечки через диэлектрик) или Rдп и Cдп (которые вместе учитывают диэлектрическое поглощение). Таким образом, мы имеем следующую упрощенную эквивалентную схему:
Упрощенная эквивалентная схема конденсатора
Проблема здесь должна быть очевидна. Наш блокировочный конденсатор предназначен для быстрого обеспечения током во время переходных возмущений на линии питания, но теперь у нас есть две составляющие, которые препятствуют протеканию тока: резистор, который представляет собой фиксированный импеданс независимо от частоты, и индуктивность, которая представляет увеличивающийся импеданс по мере увеличения частоты. На этом этапе важно понять, что ESR и ESL определяются главным образом «типом» конденсатора (керамика, тантал, полимер и т.д.) и корпусом. Керамические конденсаторы наиболее популярны при использовании в качестве блокировочных, поскольку они показывают низкие ESR и ESL (а также они недороги). Следующие в очереди, танталовые конденсаторы показывают умеренные значения ESR и ESL вместе с большим отношением емкости к размеру, и поэтому они используются в качестве больших блокировочных конденсаторов, предназначенных для компенсации низкочастотных колебаний на линии питания. Как для керамических, так и для танталовых конденсаторов более крупные корпуса обычно соответствуют более высоким ESL. В следующей таблице, взятой из технического отчета, опубликованного компанией AVX Corporation, перечислены ESL для разных корпусов поверхностного монтажа:
| Размер корпуса | Индуктивность (пГн) |
|---|---|
| 0603 (керамический) | 850 |
| 0805 (керамический) | 1050 |
| 1206 (керамический) | 1250 |
| 1210 (керамический) | 1020 |
| 0805 (танталовый) | 1600 |
| 1206 (танталовый) | 2200 |
| 1210 (танталовый) | 2250 |
| 2312 (танталовый) | 2800 |
Учитывание ESR при проектировании довольно просто: конденсаторы с малой емкостью, предназначенные для работы с высокочастотным шумом линии питания, должны иметь низкое значение ESR. Однако фактор ESL несколько сложнее. На следующем графике показан импеданс керамического конденсатора 0,1 мкФ размером 0603 с ESL 850 пГн и ESR 50 мОм:
Импеданс керамического конденсатора 0,1 мкФ размером 0603 в зависимости от частоты
Как обсуждалось в предыдущей статье, блокировочный конденсатор должен обеспечивать путь с низким импедансом, который позволяет высокочастотному шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли на схеме. Идеальный конденсатор легко выполнил бы это, так как импеданс конденсатора уменьшается по мере увеличения частоты. Но приведенный выше график говорит о другом: на определенной частоте ESL начинает доминировать над емкостью, поэтому импеданс начинает увеличиваться по мере увеличения частоты. Теперь давайте представим, что вместо керамического конденсатора мы решили использовать танталовый конденсатор 1 мкФ с ESL 2200 пГн и ESR 1,5 Ом:
Сравнение импедансов керамического конденсатора 0,1 мкФ и танталового конденсатора 1 мкФ в зависимости от частоты
Импеданс танталового конденсатора сначала меньше, чем у керамического, из-за его более высокой емкости, но эффект более высоких ESR и ESL приводит к тому, что импеданс достигает минимума на 100 кГц, и в итоге на 10 МГц импеданс керамического конденсатора фактически в 10 раз ниже, чем у танталового. Таким образом, если схема восприимчива к шуму на частотах около 10 МГц, керамический конденсатор будет гораздо более эффективен, чем танталовый, хотя танталовый конденсатор и имеет более высокую емкость. Кроме того, если мы имеем дело с шумом на очень высоких частотах, даже керамический конденсатор может иметь слишком большой импеданс. В таком случае нам понадобится более низкий ESL, что означает меньший корпус. Следующий график сравнивает исходный конденсатор 0603 с керамическим конденсатором 0,01 мкФ только с 500 пГн ESL (значение, которое может быть достигнуто с корпусом 0402).
Сравнение импедансов керамического конденсатора 0,1 мкФ в корпусе 0603 и керамического конденсатора 0,01 мкФ в корпусе 0402 в зависимости от частоты
На первый взгляд, кажется, что мы не можем выиграть: конденсатор 0402 улучшает эффективность на высоких частотах, но его импеданс хуже, чем у 0603, от нижней частоты и вплоть до 50 МГц. Хотя мы можем выиграть: мы можем поставить все три этих конденсатора параллельно, и на любой конкретной частоте общий импеданс будет определяться самым низким импедансом из трех.
Зависимость общего импеданса соединенных параллельно трех конденсаторов от частоты
Итак, теперь у нас есть цепь обхода, которая поддерживает относительно низкий импеданс в очень широком диапазоне частот. Единственным сюрпризом здесь является пик на частоте 50 МГц, где общий импеданс выше, чем отдельные импедансы. Это называется антирезонансным пиком, и вам нужно следить за этим везде, где уменьшающийся (т.е. с доминирующей емкостью) импеданс пересекается с увеличивающимся (т.е. с доминирующей индуктивностью) импедансом.
Не разрушайте хороший проект плохой компоновкой
Правильная компоновка печатной платы является критическим аспектом проектирования блокировки, например, инженеры Texas Instruments обнаружили, что увеличение расстояния между конденсатором 0,1 мкФ и питающим выводом микросхемы с 0,3 дюйма (7,62 мм) до 1 дюйма (25,4 мм) увеличивает амплитуду пульсаций на шине питания с 250 мВ до 600 мВ. К счастью, правила компоновки блокировочных конденсаторов просты: минимизируйте сопротивление, минимизируйте индуктивность. Это достигается путем размещения конденсатора как можно ближе к питающему выводу и использования самых коротких возможных дорожек для всех соединений. В идеале, как земля, так и шина питания могут быть доступны через сквозные отверстия на полигоны.
Использование сквозных отверстий на полигоны земли и шины питания при размещении блокировочных конденсаторов
Подведем итоги о блокировочных конденсаторах
Теперь у нас достаточно информации, чтобы сформулировать краткий набор рекомендаций для успешной блокировки: