Содержание
"Документация" – техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).
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
С выводами 3. 4 мм
Поверхностно монтируемые типоразмера 0805
Собственная резонансная частота конденсатора зависит от его ёмкости, конструкции и длины выводов. Резонанс – последовательный, поскольку в эквивалентной схеме ёмкость конденсатора и его паразитная индуктивность включены последовательно. На частоте этого резонанса импеданс блокировочного конденсатора близок к нулю.
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.
А вот если спектр сигналов широкий, заблокировать питание во всей полосе становится серьёзной задачей. Один конденсатор любой ёмкости с этим не справляется. Его ёмкостное сопротивление в нижней части полосы – велико, а в верхней – велико индуктивное.
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).
Дело проясняется, если вспомнить, что на этих частотах конденсатор большой ёмкости имеет индуктивный импеданс, т. е. фактически эквивалентен катушке. И параллельно этой катушке мы подключаем высокочастотные конденсаторы. Образуется параллельный колебательный контур, импеданс которого на резонансе возрастает. Что мы и видим на пунктирном графике рис. 1. Там три пика параллельного резонанса, поскольку между четырьмя конденсаторами есть три частотных области "стыковки", где импеданс большего – индуктивный, а меньшего – ёмкостный.
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 вышематериалу:
"Документация" – техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).
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
С выводами 3. 4 мм
Поверхностно монтируемые типоразмера 0805
Собственная резонансная частота конденсатора зависит от его ёмкости, конструкции и длины выводов. Резонанс – последовательный, поскольку в эквивалентной схеме ёмкость конденсатора и его паразитная индуктивность включены последовательно. На частоте этого резонанса импеданс блокировочного конденсатора близок к нулю.
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.
А вот если спектр сигналов широкий, заблокировать питание во всей полосе становится серьёзной задачей. Один конденсатор любой ёмкости с этим не справляется. Его ёмкостное сопротивление в нижней части полосы – велико, а в верхней – велико индуктивное.
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).
Дело проясняется, если вспомнить, что на этих частотах конденсатор большой ёмкости имеет индуктивный импеданс, т. е. фактически эквивалентен катушке. И параллельно этой катушке мы подключаем высокочастотные конденсаторы. Образуется параллельный колебательный контур, импеданс которого на резонансе возрастает. Что мы и видим на пунктирном графике рис. 1. Там три пика параллельного резонанса, поскольку между четырьмя конденсаторами есть три частотных области "стыковки", где импеданс большего – индуктивный, а меньшего – ёмкостный.
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 вышематериалу:
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.
Таким образом, емкость говорит вам, сколько заряда конденсатор может хранить на вольт на конденсаторе. Если полностью заряженные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ находятся параллельно между шинами земли и 5В, больший конденсатор имеет заряд 50×10 -6 кулонов (10×10 -6 кулонов на вольт), а меньший – 0,5×10 -6 кулонов (0,1×10 -6 кулонов на вольт).
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
LTspice не дает нам реального интегрирования, но мы можем вычислить его, умножив средний ток (26,3 мкА) на интервал (114 мкс – 98 мкс = 16 мкс). Таким образом, общий заряд, необходимый для компенсации этого возмущения, составляет 26,3 мкА × 16 мкс = 4,2×10 -10 кулонов. Это примерно в 1000 раз меньше заряда, чем мы хранили на нашем конденсаторе 0,1 мкФ.
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:
- В случае сомнений обеспечьте каждый питающий вывод керамическим конденсатором 0,1 мкФ, предпочтительно размером 0805 или меньше, параллельно танталовому или керамическому конденсатору 10 мкФ.
- Если речь идет только о высокочастотном шуме, возможно, вы можете опустить конденсатор на 10 мкФ или заменить его чем-то меньшим.
- Если вам необходимо компенсировать продолжительные колебания питания, которые потребуют большого количества сохраненного заряда, вам может потребоваться обеспечить каждую микросхему дополнительным более крупным конденсатором, скажем, 47 мкФ.
- Если ваш проект включает в себя очень высокие частоты или особенно чувствительную схему, используйте симулятор для анализа переходных процессов (AC анализ) вашей цепи блокировки. (Возможно, будет сложно найти точные спецификации на ESR и ESL, особенно учитывая, что ESR конденсатора может значительно варьироваться в зависимости от частоты – просто сделайте всё возможное.) При необходимости добавьте керамические конденсаторы с малой ESL для улучшения высокочастотных характеристик импеданса.
- Устанавливайте высокочастотные керамические конденсаторы как можно ближе к питающему выводу и используйте короткие дорожки и сквозные отверстия для минимизации паразитных емкости и сопротивления. Размещение более крупных конденсаторов, предназначенных для низкочастотной блокировки, не столь критично, но они также должны быть близки к микросхеме (в пределах полдюйма (12,7 мм) или около того).
