Разница: фильтр нижних частот и большой конденсатор?

Колпачок рядом с выводом питания предназначен не для защиты детали от шума, а для предотвращения генерации шумов частью, поскольку логическое переключение вызывает быстрые изменения тока питания. В идеале крышка должна удовлетворять мгновенные потребности в большем токе без увеличения тока на всем пути к источнику питания.

Сумма импедансов на стороне блока питания — внутренний импеданс блока питания плюс индуктивность, сопротивление и емкость дорожек или плоскостей — достаточна для некоторой фильтрации нижних частот на входной стороне конденсатора. Я думаю о крышке как о крошечном источнике питания, который может удовлетворить требования с полосой пропускания в диапазоне нескольких МГц. Регуляторы большего размера, питающие полную цепь, реагируют слишком медленно, а крышка является временным источником питания, который заменяет или обходит (или разъединяет) блок питания. Размещение колпачка рядом с выводом питания на микросхеме минимизирует сопротивление и индуктивность, которые могут замедлить отклик.

Детали CMOS потребляют большую часть своей мощности при переключении состояния. Для микропроцессоров это означает перепады тактовой частоты, а ток потребляется небольшими быстрыми пиками. Размер всплесков изменяется так же быстро, как часы, поскольку каждая инструкция использует разные комбинации внутренних цепей. Представьте себе схему, используемую для проверки регистра на наличие нуля по сравнению с выборкой данных из ОЗУ. Требуемая мощность колеблется в зависимости от тактовой частоты. Чем больше текущие изменения, тем больше кепка. Расчет правильного размера для большинства из нас является вопросом оценки, а керамический конденсатор 0,1 мкФ настолько распространен, что стоит очень дешево. Конструкция конденсатора также вызывает беспокойство, а также изменяется в зависимости от температуры. Некоторые из них могут реагировать быстрее, чем другие, а некоторые отличаются на 80% по сравнению с коммерческим диапазоном температур.

Их также называют шунтирующими конденсаторами, потому что: 1) Они могут «шунтировать» (коротко) высокочастотный шум блока питания на землю. 2) Они могут «обходить» блок питания и реагировать на высокие частоты запросов мощности.

Также называемые «развязывающими колпачками», более точный термин для высоких частот, поскольку они «развязывают» потребляемую мощность между деталью и блоком питания.

Краткий ответ:

Конденсатор сам по себе хорош для подачи питания, когда потребляемая мощность MCU быстро меняется. RC-фильтр используется для блокировки нежелательных высокочастотных сигналов.

Длинный ответ:

Две разные схемы используются для разных целей. Как вы сказали, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.

Я уверен, ты это знаешь

1. MCU требует минимального напряжения для работы
2. MCU требует различного количества энергии во время работы

Поскольку мощность равна напряжению * току (P = VI), а напряжение должно быть постоянным, то любое изменение мощности проявляется как изменение тока.

Для гипотетической конструкции с регулятором напряжения и микроконтроллером:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Скажем, мы удаляем C2:

^{смоделируйте эту схему}

(Извините за различные схемы, я не создал учетную запись для этого сайта схемы, и мне нужно продолжать его перерисовывать)

Если бы регулятор напряжения, который подает питание на MCU, был идеальным и не было бы паразитной индуктивности или сопротивления трасс, MCU потреблял бы различное количество тока, и регулятор не понижал бы и не повышал его напряжение. К сожалению, в реальном мире печатная плата выглядит примерно так:

^{смоделируйте эту схему}

(Небольшое примечание: в этом контексте индуктор можно рассматривать как резистор на высокой частоте)

Из-за паразитной индуктивности платы, сопротивления трассы и того факта, что регуляторы не могут мгновенно реагировать на изменения потребляемого тока, напряжение будет падать и повышаться по мере того, как микроконтроллер потребляет больше или меньше тока соответственно.

В качестве справки здесь приведен график из таблицы данных LM7805.

СТ 7805

Это показывает конечное время отклика регулируемого выходного напряжения LM7805 (треугольные провалы и горбы в нижней строке) при увеличении и уменьшении нагрузки. Если бы регулятор был идеальным, то «Отклонение напряжения» не увеличивалось бы или уменьшалось при относительно быстром увеличении или уменьшении тока.

Я понимаю, что поначалу индукторы могут немного сбивать с толку, поэтому для простоты вы можете заменить индуктор на приведенной выше схеме резистором и добавить два резистора вместе, и у вас будет резистор между вашим регулятором и MCU. Это плохо, потому что V = IR, и чем больше ток потребляет микроконтроллер, тем больше будет падение напряжения на резисторе. (Я объясню больше о том, что эти резисторы делают ниже, когда я буду говорить о RC-фильтрах.

Вернуться к первоначальному дизайну. Шунтирующий конденсатор устанавливается как можно ближе к микроконтроллеру, чтобы все индуктивности и сопротивления, имеющиеся на печатной плате, а также тот факт, что регулятор не может среагировать мгновенно, не повлияли на уровень напряжения на микроконтроллере.

Для вашего второго (RC) контура

^{смоделируйте эту схему}

Причина, по которой резистор не следует добавлять для обхода микроконтроллера, заключается в том, что напряжение на резисторе зависит от тока, протекающего через него. Это важно, потому что, если MCU работает при напряжении 5 В и потребляет 10 мА в состоянии покоя (работает без каких-либо действий), то падение напряжения на этом резисторе составляет:

R * 10 мА = Vпадение

Так что, если бы у вас был резистор 50 Ом, вы бы сбросили 0,5 В, это могло бы перезагрузить ваш MCU.

Фильтр нижних частот, такой как RC-фильтр, который вы нарисовали, не подходит для подачи питания, но полезен для фильтрации высокочастотных компонентов сигнала.

Это отлично подходит для сигналов, которые считываются с помощью АЦП, потому что АЦП может производить выборку только с определенной частотой, поэтому, если сигнал изменяется со скоростью, превышающей скорость высокочастотных сигналов (на самом деле 1/2 скорости из-за теоремы Найквиста) . ) будет отображаться как случайный шум, поэтому лучше удалить его с помощью RC-фильтра.

В качестве примера скажем, что у вас есть АЦП, который производит выборку с частотой 10 кГц.

и вы хотите прочитать аналоговый датчик, который изменяется только с частотой 1 кГц, тогда вы можете настроить свой RC-фильтр для фильтрации сигналов выше 5 кГц (вы, вероятно, не хотите начинать фильтрацию на частоте 1 кГц, потому что RC-фильтр имеет небольшой степень затухания ниже частоты, на которой он предназначен для фильтрации.

Таким образом, чтобы спроектировать RC-фильтр для достижения этой цели, вы можете использовать резистор:

330 Ом и емкость 0,1 мкФ

Вот отличный калькулятор, если вам нужно решить это для любых других частот:

Удивительный RC Калькулятор

Я надеюсь, что я остался в теме достаточно, чтобы ответить на ваш вопрос.

Разница в том, что размещение только конденсатора зависит как от импеданса источника питания, так и от импеданса питания чипа, чтобы составить остальную часть фильтра нижних частот. То есть оба экземпляра создают ФНЧ, явный резистор просто для его настройки.

Ты прав. Это метод развязки, и мы должны следовать рекомендациям производителей. Типичная развязка состоит из:

--> Большой электролитический конденсатор (10~100 мкФ) на расстоянии не более 5 см от чипа. Целью этого конденсатора является обеспечение «локально» требований к мгновенному току, избегая отбирать эту мощность от основной силовой цепи и их импеданса. o Это конденсатор с низким ESR. --> Конденсатор меньшего размера (0,01 мкФ – 0,1 мкФ) как можно ближе к выводам питания микросхемы, чтобы вывести высокочастотные компоненты из микросхемы. Оба конденсатора должны быть подключены к заземлению большой площади на печатной плате для минимальной индуктивности. --> Ферритовая пластина в последовательном соединении с контактом Vcc микросхемы, чтобы уменьшить электромагнитные помехи от этой микросхемы.

Как вы можете судить, вышеизложенное является общими методами для линейных и цифровых ИС. Но RC-фильтр, который вы рисуете, предназначен для цифровой развязки IC. Изменения в состоянии цифровых вентилей вызывают колебания напряжения PS из-за импеданса дорожек. Высокочастотный шум можно свести к минимуму, используя топологии RC или LC. В LC-фильтре шум появляется на катушке, а не в микросхеме или цепи питания. Он обеспечивает очень эффективную фильтрацию, но имеет резонансную частоту, которая может излучать электромагнитные помехи. Вместо индуктора можно использовать ферритовую подушку.

Упомянутый вами RC-фильтр преобразует шум в тепло и, как таковой, рассеивается. Минус в том, что резистор вносит падение напряжения в подаваемое напряжение. С другой стороны, RC-фильтр дешевле. Иногда вы можете найти сопротивление намотанной проволоки вместо катушки индуктивности.

Вышеперечисленное рекомендовано Silicon Labs и Analog Devices.

Фильтр нижних частот используется для блокировки высокочастотных и шумовых сигналов выше определенной частоты. Резонанс возникает именно на этой частоте. Все сигналы выше резонансной частоты будут заземлены, и о единственном конденсаторе вы описали то же самое.

RC-фильтр используется вместо LC-фильтра из соображений экономии.