Skąd wzięła się wartość 0,1 uF dla kondensatorów obejściowych?

Niemal każdy zaleca kondensatory obejściowe 0,1 uF. Skąd ta wartość? Zakładam, że używanie większych wartości nie jest szkodliwe, więc czy jest to jedynie „rozsądne minimum”? A jeśli tak, to dlaczego ludzie wybierają minimum, zamiast używać wyższych wartości - wydaje mi się, że można uzyskać wyższe wartości bez dodatkowych kosztów.

Kondensatory o wyższej wartości nie będą tak skuteczne w radzeniu sobie z prądem o wysokiej częstotliwości pobieranym przez układ. Powyżej określonej częstotliwości kondensator zacznie zachowywać się jak cewka indukcyjna. Wartość, w której zmienia się jego charakterystyka, to szeregowy rezonans urządzenia:

Tak więc przekonasz się, że na urządzeniach mikrofalowych kondensatory 100pF są również obecne jako odsprzężenie wraz z kondensatorami masowymi. Oto przykład trzech kondensatorów odsprzęgających układ FPGA: -

Czarna krzywa jest impedancją złożoną wszystkich trzech zastosowanych kondensatorów. Zabrano stąd .

Skąd wzięła się wartość 0,1 uF dla kondensatorów obejściowych?

To dobry kompromis między pojemnością pojemnościową a wysoką częstotliwością, ALE jeśli projektujesz radiotelefony, domyślnym rozdzielaczem może być 10nF lub 1nF (UHF). Jeśli projektujesz naprawdę szybkie cyfrowe rzeczy, możesz również użyć 2 lub 3 różnych wartości równolegle, jak na powyższym zdjęciu FPGA.

Nie wszyscy zalecają 0.1uF jako kondensator odsprzęgający, chociaż jest to dobry punkt wyjścia dla 74HC i logiki pojedynczej bramki. Odpowiedź Kevegaro tutaj jest dobra.

Na przykład dla układów Xilinx FPGA tutaj jest jedna rekomendacja dla kondensatorów obejściowych:

Zalecają 33 kondensatory o trzech różnych wartościach na urządzenie.

Wyjaśnienie Andy'ego jest piękne i dogłębne. Jeśli trudno ci to uchwycić, może ci to pomóc w wyobrażeniu sobie, w jaki sposób odsprzęganie działa w prosty sposób. W wyobraźni wyobraź sobie widok 3D swojej płyty, ma ona obciążenie (układy scalone itp.) I źródło zasilania. Obciążenie może nagle „zażądać” więcej prądu z zasilacza, jednak potrzeba czasu, aby prąd z zasilacza dotarł do obciążenia na odległości śledzenia i rezystancji śledzenia. Czynnikiem jest także wbudowana rezystancja samego źródła zasilania lub czas przełączania źródła w celu wykrycia nowego zapotrzebowania na prąd i dostosowania (szerokość pasma zasilania). Krótko mówiąc, zasilacz nie dostarcza prądu natychmiast, zajmuje to trochę czasu.

Gdy obciążenie czeka na nadejście prądu, nie ma innego wyjścia, jak obniżyć napięcie, aby skompensować „brakujący” prąd. Musi przestrzegać prawa V = IR, obciążenie zmniejszyło jego rezystancję (R), aby „wskazać”, że potrzebuje więcej mocy, nie było już natychmiast dostępnego prądu, więc pozostaję taki sam, więc V musi się zmniejszyć, aby skompensować.

Jak to rozwiązać? Umieszczamy małe kondensatory blisko obciążenia. Kondensatory te są małymi „bankami ładunków”, z których ładunek może szybko wycofać się podczas nadmiernego zapotrzebowania, szybciej niż czekanie na prąd z zasilacza. Dlaczego to jest szybsze? Ponieważ odległość między kondensatorem a obciążeniem jest krótsza, a wbudowana rezystancja kondensatora jest znacznie mniejsza niż zasilacz. Jeśli „I” jest natychmiast dostępne, „V” nie musi tego kompensować - wszyscy są zadowoleni.

Chociaż kondensatory są znacznie szybsze niż zasilacze, potrzebują również czasu na „rozładowanie” i dostarczenie mocy do obciążenia proporcjonalnie do ich wewnętrznej rezystancji, która wzrasta wraz z pojemnością (farady). Krótko mówiąc, większe kondensatory potrzebują więcej czasu na dostarczenie potrzebnego prądu. Dlatego chcesz wybrać kondensator obejściowy, który jest wystarczająco szybki, aby reagować na obciążenie, ale także utrzymuje wystarczającą ilość ładunku, aby zaspokoić zapotrzebowanie, podczas gdy prąd z zasilacza przemieszcza się do obciążenia.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Jak wspomniano wcześniej, dla powszechnej logiki był to dobry kompromis między czasem reakcji i wymaganiami dotyczącymi przepustowości bypassów w stosunku do wymagań obciążenia. Możesz skorzystać z kalkulatora i dowiedzieć się, jaka jest najlepsza wartość, ale należy również wziąć pod uwagę koszty zestawienia komponentów. Jeśli dostrajasz każdy kondensator obejściowy do jego obciążenia, skończysz z wieloma dodatkowymi pozycjami na BOM i bardzo szybko będzie to kosztowne! 0,1 uF dla większości układów logicznych lub dla obwodów szybkich 0,01 uF (100 nF) jest zwykle dobrym wyborem. Zaoszczędź pieniądze na BOM, gdzie możesz w granicach aplikacji.

W przypadku obciążeń, które często zmieniają bieżące zapotrzebowanie (obciążenia o wysokiej częstotliwości), istnieją inne sposoby obejścia czasu odpowiedzi w porównaniu z problemem pojemnościowym kondensatorów obejściowych. Możesz:

1. Użyj lepszego regulatora mocy o większej przepustowości, aby nie trzeba było tak długo, aby uzyskać zasilanie od źródła do obciążenia.
2. Ustaw dwa kondensatory równolegle. Dwa rezystory równolegle zmniejszają całkowitą rezystancję i podobnie jest z wewnętrznymi rezystancjami kondensatorów. Dlatego połączone kondensatory mają zwiększoną pojemność i wydłużony czas reakcji!
3. Możesz użyć równoległych czapek o różnej pojemności, dużego i małego. Tak więc jeden może wynosić 0,01 uF, a inny 0,1 uF. Pierwszy z nich ma szybką reakcję, a drugi nieco opóźnia się w reakcji, ale zapewnia prąd przez dłuższy czas.
4. Możesz także dystrybuować pojemność w swoim obwodzie, ale niekoniecznie w punkcie obciążenia. Ta reakcja zbiornika ładunkowego jest szybsza niż źródło zasilania, dzięki czemu można wtedy użyć mniejszych kondensatorów obejściowych przy obciążeniu, wiedząc, że rozproszone zbiorniki ładunkowe przejdą luz w zasilaniu.

To jest uproszczony widok wszystkiego. Jest więcej czynników, szczególnie w obwodach dużych prędkości. Ale jeśli potrafisz sobie wyobrazić podstawowe zasady elektryczne stosowane w twoim obwodzie jako dynamiczny system zaopatrzenia i wymagać wielu „najlepszych praktyk”, o których czytamy, stają się zdrowym rozsądkiem. Prostszą analogią może być łańcuch dostaw Amazon. Ich cel: dostarczać przedmioty tak szybko, jak to możliwe w dowolnym miejscu w USA. Ich rozwiązanie, magazyny w pobliżu każdego miasta, krótszy czas reakcji na wydostanie przedmiotów z magazynu i ciężarówki. Dalej jest dostawa drona. To logistyczna bitwa podaży i popytu oraz kompromis między czasem reakcji i przepustowością a wielkością każdego węzła dystrybucyjnego i kosztami!

Naprawdę dobre wideo z EEVBlog na temat czynników dla kondensatorów równoległych: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

Zalecane jest stosowanie wielu wartości, takich jak 100nF + 10µF, z lat 90. i 80., kiedy 100nF był najwyższym łatwo dostępnym kondensatorem ceramicznym o przyzwoitej odpowiedzi wysokiej częstotliwości. Kondensator 10µF byłby kondensatorem elektrolitycznym lub tantalowym o złym zachowaniu wysokiej częstotliwości.

To zmieniło się całkowicie dzisiaj. Teraz możesz łatwo kupić ceramikę 10µF w opakowaniach 0603 lub nawet 0402. W przypadku kondensatorów ceramicznych odpowiedź wysokich częstotliwości nie ma nic wspólnego z wartością kondensatora, a wszystko ma związek z wielkością kondensatora.

W nowoczesnych kondensatorach zwykle nie ma sensu podłączać 100nF równolegle z 10µF.

Na poniższym schemacie można łatwo zobaczyć, że nowoczesne kondensatory ceramiczne o wysokiej wartości są tak samo dobre jak kondensatory o niskiej wartości do wysokich częstotliwości, o ile wielkość opakowania jest taka sama. (Małe ujemne spadki to częstotliwości rezonansowe. Nie chcesz polegać na częstotliwości rezonansowej dla kondensatorów odsprzęgających, więc te spadki należy zignorować)

_{(Źródło obrazu: Analog Dialogue, wrzesień 2005 r. - Praktyczny przewodnik po układzie szybkich obwodów drukowanych )}