1. PRĄDY PRZEŁĄCZANIA LOGIKI

Nie jest tajemnicą, że podczas zmiany stanów logicznych większość urządzeń cyfrowych doświadcza dużego prądu rozruchowego, który następuje natychmiast po sygnale zegara (ryc. 1).

Na przykład obwód pracujący z częstotliwością 100 MHz i pobierający średnio około 4 A może faktycznie wymagać 20 A prądu podczas pierwszych kilku nanosekund sekwencji zegara. (Przyczynę występowania dużych prądów podczas zmiany stanów logicznych omówiono w artykule B. Cartera „Technika układu płytki drukowanej”, elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - przyp. tłumacza.)

Oczywiście zasilanie tego obwodu ze źródła 20-amperowego zwiększy rozmiar i koszt produktu. Mniej oczywiste jest, że pasożytnicze indukcyjności szeregowe w przewodach, ścieżkach PCB i przewodach komponentów mogą uniemożliwić szybkie reagowanie dużego zasilacza na chwilowe zmiany prądu. Z drugiej strony niewystarczająca obciążalność źródła będzie prowadzić do niestabilnych spadków napięcia na szynach zasilających i uziemiających. Zjawisko to zwykle objawia się szumem o wysokiej częstotliwości.

2. ZASTOSOWANIE KONDENSATORÓW JAKO ELEMENTÓW ZASILAJĄCYCH

Zastosowanie kondensatorów odsprzęgających umożliwia dystrybucję prądu roboczego między odbiornikami za pomocą torów prądowych o niskiej impedancji (tj. niskiej indukcyjności dla prądów RF). W praktyce oznacza to, że kondensatory odsprzęgające bezpośrednio obsługują elementy cyfrowe, podczas gdy zasilacz zajmuje się ich ładowaniem. Kluczem do stworzenia działającego i udanego obwodu odsprzęgającego jest właściwy dobór zastosowanych kondensatorów i prawidłowe okablowanie ich obwodów połączeniowych.

Używanie kondensatorów jako elementów odsprzęgających wymaga zrozumienia podstaw ich działania. Rysunek 2a przedstawia idealny kondensator - pojemność do gromadzenia i przechowywania ładunku oraz do jego uwalniania. Rysunek 3 pokazuje zależność częstotliwościową impedancji idealnego kondensatora - monotoniczny spadek wartości wraz ze wzrostem częstotliwości. Ponieważ dominującym szumem w systemach cyfrowych jest szum o wysokiej częstotliwości (>50 MHz), redukcja impedancji przy wysokich częstotliwościach dobrze nadaje się do odsprzęgania mocy.

Niestety zachowanie prawdziwego kondensatora nie jest takie proste; jego model pokazano na rysunku 2b. Fizyczna konstrukcja rzeczywistego kondensatora obejmuje równoważną rezystancję szeregową (ESR) i równoważną indukcyjność szeregową (ESL). Ponadto prawdziwy kondensator ma odporność na upływ. Suma tych pasożytniczych efektów prowadzi do zmiany charakteru częstotliwościowej zależności impedancji (rys. 3).

Najniższy punkt zależności impedancji jest znany jako częstotliwość rezonansu własnego. Projektanci często próbują znaleźć kondensatory o naturalnej częstotliwości rezonansowej zbliżonej do częstotliwości roboczej systemu. Jednak parametry rzeczywistych kondensatorów sprawiają, że wybór ten jest niepraktyczny przy częstotliwościach taktowania przekraczających 100 MHz. Ważna zasada do zapamiętania: kondensatory odsprzęgające mogą być używane przy częstotliwościach niższych niż ich własna częstotliwość rezonansowa, o ile ich impedancja przy tych częstotliwościach pozostaje wystarczająco niska.

Spadek napięcia na równoważnej rezystancji szeregowej kondensatora jest proporcjonalny do przepływającego przez niego prądu. Ponieważ ważne jest utrzymanie stabilnego napięcia zasilania, pożądane jest stosowanie w obwodach odsprzęgających kondensatorów o niskim ESR (tj. poniżej 200 mΩ). Równoważna indukcyjność szeregowa określa, jak szybko kondensator reaguje na zmiany prądu - kondensatory o niższej wartości ESL będą szybciej reagować na zmiany przepływu prądu, co jest bardzo ważne w przypadku obwodów odsprzęgających o wysokiej częstotliwości. Chociaż jako parametr ESR jest szerzej opisywany i badany, ESL jest prawdopodobnie ważniejszy. Wszystkie kondensatory do montażu powierzchniowego wymienione w tabeli 1 mają dość niskie wartości ESL.

Rozmiar	min. ESL (nH)	Maks. ESL (nH)
0402	0,54	1,90
0603	0,54	1,95
0805	0,70	1,94
1206	1,37	2,26
1210	0,61	1,55
1812	0,91	2,25
z przewodami promieniowymi	6,0	15,0
z przewodami osiowymi	12,0	20,0

Kondensatory z materiałem dielektrycznym typu I nie pogarszają swoich parametrów wraz z upływem czasu i temperaturą, ale niska wartość stałej dielektrycznej sprawia, że ​​ich zastosowanie jako elementów odsprzęgających jest nieefektywne. Kondensatory z materiału typu II (tj. X7R) są lepszym wyborem ze względu na dobrą stabilność długoterminową (utrata 10% w ciągu 10 lat), wydajność cieplną i wysoką stałą dielektryczną. Materiał typu III ma najwyższą stałą dielektryczną i słabe właściwości termiczne (utrata 50 do 75% w ekstremalnych temperaturach) oraz słabą stabilność długoterminową (utrata 20% w ciągu 10 lat). Spośród popularnych dielektryków, wielowarstwowe materiały ceramiczne i tworzywa sztuczne mają małą zastępczą indukcyjność i rezystancję szeregową. Kondensatory ceramiczne są łatwiej dostępne. Kondensatory tantalowe są często używane jako ogólne odsprzęgacze niskich częstotliwości, jednak nie nadają się do lokalnego odsprzęgania.

Tabela 1 pokazuje typowe wartości ESL dla różnych typów pakietów kondensatorów. Rozmiar jest elementem definiującym ekwiwalentną indukcyjność szeregową - zwykle mniejszy kondensator będzie miał niższy ESL dla tej samej wartości pojemności. Kondensatory o wysokich wartościach ESL nie nadają się do stosowania jako elementy odsprzęgające.

Ogólnie rzecz biorąc, właściwą strategią jest znalezienie kondensatora o największej pojemności w najmniejszych gabarytach. Jednak z tym wyborem trzeba być ostrożnym. Wysokość obudowy kondensatora ma znaczący wpływ na ESL. Dla nakładających się zakresów ESL w Tabeli 1 można wybrać pakiet o mniejszej powierzchni PCB. Jednak wartość ESL może być duża. Dlatego przy wyborze typu kondensatora należy kierować się parametrami producenta, aby określić najlepszą opcję kompromisową.

3. indukcyjność przewodnika

Podczas okablowania komponentów i obwodów główną przeszkodą w dobrym odsprzęganiu jest indukcyjność. Przy bardzo przybliżonych przybliżeniach możemy przyjąć, że indukcyjność ścieżki o impedancji charakterystycznej 50 Ω na materiale FR-4 wyniesie około 9 pH na każde 0,025 mm długości. Indukcyjność pojedynczej przelotki wynosi około 500 pH i zależy od geometrii.

Indukcyjność jest proporcjonalna do długości, dlatego ważne jest, aby zminimalizować długość przewodu między zaciskami elementu a kondensatorem odsprzęgającym. Indukcyjność jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości ścieżki, dlatego szerokie przewody są preferowane zamiast wąskich.

Pamiętaj, że bieżąca ścieżka jest zawsze pętlą i ta pętla musi być zminimalizowana. Zmniejszenie odległości między pinem zasilającym komponentu a pinem kondensatora może nie zmniejszyć całkowitej indukcyjności. Jak prawidłowo ustawić kondensator? Bliżej styku zasilania komponentu? Lub bliżej końca ziemi? Albo pośrodku między tymi wnioskami? Niektóre źródła zalecają umieszczenie kondensatora blisko zacisku najdalej od płaszczyzny zasilania lub uziemienia.

4. OPCJE OKABLOWANIA KONDENSATORÓW

Dobre okablowanie jest niezwykle ważne dla sprawnego działania obwodów odsprzęgających. Jak widać z Tabeli 1, kondensatory o efektywnej wartości indukcyjności szeregowej mniejszej niż 1 nH są dość przystępne cenowo. Dodanie zaledwie 2 nH potroi wartość ESL kondensatora. Rysunek 4 pokazuje zmianę częstotliwości rezonansu własnego i wzrost reaktancji całkowej po dodaniu indukcyjności przewodnika 2 nH do indukcyjności własnej 0,8 nH kondensatora 4,7 nF.

Rysunek 5 przedstawia kilka metod umieszczania i podłączania kondensatora odsprzęgającego. Dla uproszczenia schematy pokazują tylko zaciski kondensatora i zacisk zasilania elementu aktywnego. Należy również zwrócić szczególną uwagę na połączenie między zaciskiem kondensatora a wspólnym zaciskiem zasilania komponentu.

Rysunek 5A przedstawia najczęstszą konfigurację okablowania. Kołek zasilający komponentu jest połączony krótkim przewodem z szyną zasilającą w warstwie wewnętrznej przez przelotkę. Kondensator odsprzęgający po drugiej stronie płytki jest podłączony do tego samego złącza. Chociaż takie podejście często wynika z łatwości okablowania, umożliwia ono wydajną pracę obwodów odsprzęgających i oszczędza miejsce na okablowanie. Dwa pojedyncze otwory dodadzą około 1 nH indukcyjności pasożytniczej do obwodu odsprzęgającego.

Jeśli kondensator znajduje się 50 milicali (1,27 mm) od przewodu komponentu, wówczas dodana indukcyjność wyniesie co najwyżej około 0,9 nH. Umieszczając kondensator dalej od elementu aktywnego, przewodniki będą dłuższe, a indukcyjność pasożytnicza będzie większa.

Opcja B oznacza znaczną poprawę opcja A z umieszczeniem kondensatora odsprzęgającego i elementu aktywnego po tej samej stronie płytki drukowanej. Kondensator jest podłączony za pasożytniczą indukcyjnością przelotki. Przy dostatecznie krótkich przewodnikach obwód odsprzęgający dodaje mniej niż 1 nH indukcyjności pasożytniczej.

Opcja D reprezentuje rozwinięcie opcji A - aby zmniejszyć indukcyjność własną i zwiększyć rozproszoną pojemność, przewody są szersze, co również poprawia charakterystykę obwodu odsprzęgającego.

Opcja E - modyfikacja opcji B z szerszymi przewodami i lepszymi parametrami.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że opcja C jest całkowicie nieodpowiednia do odsprzęgania okablowania, ponieważ nie ma przewodów bezpośrednio łączących element aktywny z kondensatorem odsprzęgającym; w rzeczywistości oba są połączone przez otwory z wielokątami mocy i uziemienia, które znajdują się w warstwach wewnętrznych. W przypadku czterech otworów do obwodów odsprzęgających zostanie dodana co najmniej 2 nH indukcyjności pasożytniczej. Jednak bardzo szerokie przewody zasilające i uziemiające dodadzą niewielką lub żadną indukcyjność, jeśli długość nie jest bardzo duża. Ta opcja okablowania jest odpowiednia, gdy kondensator odsprzęgający nie może być umieszczony wystarczająco blisko elementu aktywnego.

Wariant F - udoskonalenie wariantu C poprzez dodanie dodatkowych otworów równoległych. Ten dodatek zmniejsza pasożytniczą indukcyjność przelotek dwukrotnie, poprawia wydajność obwodu i powinien być używany zawsze, gdy pozwala na to miejsce.

5. ZASTOSOWANIE KONDENSATORÓW KOMPOZYTOWYCH

Ponieważ pojemności w połączeniu równoległym sumują się, a wynikająca z tego indukcyjność maleje, równoległe połączenie dwóch małych kondensatorów o tych samych wartościach pojemności może prowadzić do wzmocnienia jakościowego w porównaniu z użyciem jednego dużego kondensatora. Efektem końcowym będzie taka sama pojemność odsprzęgająca i mniej pasożytniczej równoważnej indukcyjności szeregowej.

W praktyce zwykle unika się stosowania kondensatorów o różnych wartościach pojemności w celu stworzenia lokalnego odsprzęgnięcia. Kondensatory kompozytowe o różnych pojemnościach mają zależność częstotliwościową impedancji, która składa się z zależności częstotliwościowych impedancji poszczególnych kondensatorów. Przykład pokazano na rysunku 6.

Kondensator 47nF służy do izolowania niskich częstotliwości, a kondensator 150pF do wysokich częstotliwości. Na pierwszy rzut oka można by pomyśleć, że połączenie tych kondensatorów równolegle poprawi odpowiedź impedancyjną.

Niestety tak nie jest. Takie połączenie może powodować znaczne problemy przy częstotliwościach mieszczących się pomiędzy naturalnymi częstotliwościami rezonansowymi kondensatorów. Rysunek 7 pokazuje, że połączenie dwóch kondensatorów tworzy pik antyrezonansowy (a tym samym zwiększoną rezystancję) w ogólnej odpowiedzi częstotliwościowej.

Źródło tego problemu można łatwo zidentyfikować, patrząc na równoważny obwód pokazany na rysunku 8. Wynikiem połączenia pasożytniczych elementów kondensatora jest klasyczny obwód rezonansowy.

Jednak kondensatory złożone stosowane jako elementy odsprzęgające są szeroko stosowane w obwodach precyzyjnych. W takim przypadku do wyboru kondensatorów należy podchodzić z dużą ostrożnością, modelując obwody zawierające wszystkie elementy pasożytnicze.