Что такое развязывающий конденсатор и как узнать, нужен ли он мне?

Я был тем, кто задал этот вопрос. Вот мое элементарное понимание:

Вы подключаете конденсаторы через$V_{CC}$/GND, чтобы попытаться сохранить напряжение более постоянным. В цепи постоянного тока конденсатор действует как разомкнутая цепь, поэтому там нет проблем с коротким замыканием. Когда ваше устройство включено ($V_{CC}$=5В), конденсатор заряжается до полной емкости и ждет изменения напряжения между$V_{CC}$и земля ($V_{CC}$=4,5 В). В этот момент конденсатор разряжается, пытаясь вернуть напряжение к уровню заряда внутри конденсатора (5 В). Это называется «сглаживание» (по крайней мере, я так это называю), потому что изменение напряжения будет менее выраженным.

В конечном итоге напряжение никогда не вернется к 5 В через конденсатор, а конденсатор будет разряжаться до тех пор, пока заряд внутри него не станет равным напряжению питания (до равновесия). Аналогичный механизм отвечает за сглаживание, если$V_{CC}$увеличивается слишком далеко за пределы своего среднего ($V_{CC}$= 5,5 В, возможно).

Что касается того, зачем они вам нужны, они очень важны в высокоскоростных цифровых и аналоговых схемах. Я не могу представить, что он вам понадобится для SN74195, но это не помешает!

Источники питания медленные... для ответа им требуется примерно 10 мкс (т.е. полоса пропускания до 100 кГц). Поэтому, когда ваш большой, плохой, многомегагерцовый микроконтроллер переключает группу выходов с высокого на низкий, он будет потреблять от источника питания, вызывая падение напряжения, пока не поймет (через 10 нас!), что ему нужно что-то сделать. исправить падение напряжения.

Чтобы компенсировать медленное питание, мы используем развязывающие конденсаторы. Развязывающие конденсаторы добавляют быстрое «накопление заряда» рядом с микросхемой. Поэтому, когда ваш микроконтроллер переключает выходы, вместо того, чтобы получать заряд от источника питания, он сначала будет получать заряд от конденсаторов. Это даст источнику питания некоторое время, чтобы приспособиться к изменяющимся требованиям.

«Скорость» конденсаторов варьируется. По сути, конденсаторы меньшего размера работают быстрее; индуктивность, как правило, является ограничивающим фактором, поэтому все рекомендуют размещать конденсаторы как можно ближе к VCC/GND с самыми короткими и широкими практичными выводами. Так что выбирайте наибольшую емкость в наименьшем корпусе, и они обеспечат максимальный заряд как можно быстрее.

Обычно называется «байпасным колпачком», потому что высокочастотный шум обходит микросхему и стекает прямо на землю, или « развязывающим колпачком », потому что он предотвращает подключение тока, потребляемого одной микросхемой, к источнику питания другой микросхемы.

"как узнать, является ли конкретный чип одним из них?"

Просто предположим, что они все это делают. :) Если чип периодически потребляет ток, это приведет к периодическим падениям напряжения питания. Если другой чип находится «вниз по течению», он увидит этот шум на своих выводах питания. Если это достаточно плохо, это может вызвать ошибки или шум или что-то еще. Поэтому обычно мы ставим обходные заглушки на все, что находится «вверх по течению» от IC. (Да, ориентация дорожек и расположение компонентов имеют значение, поскольку медь не является идеальным проводником.)

Сглаживающий конденсатор (также известный как развязывающий конденсатор ) используется для уменьшения изменения напряжения питания. Когда вы потребляете большие токи от вашего источника питания (например, когда переключается цифровая логика), вы увидите изменение напряжения питания. Переключение пытается потреблять большие мгновенные токи и вызывает падение напряжения из-за импеданса источника напряжения и соединения между источником напряжения и ИС. Развязывающий конденсатор поможет сохранить (или сгладить) напряжение питания на устройстве. Размещение этого запоминающего элемента рядом с ИС уменьшает изменение напряжения на ИС.

Если вы не измерите напряжение питания на каждой ИС, когда ИС потребляет свои максимальные токи переключения, трудно сказать, насколько эффективным будет конденсатор. Для большинства цифровых устройств рекомендуется использовать керамику 0,1 мкФ очень близко к устройству. Поскольку конденсаторы небольшие и недорогие, большинство разработчиков просто добавляют конденсаторы. Иногда, если у меня есть два логических устройства, которые находятся очень близко, вы можете расположить один конденсатор между двумя ИС. Обычно это не так.

ИС источников питания требуют больших сглаживающих конденсаторов, поскольку коммутационные токи больше. Для этих устройств вам необходимо внимательно изучить требования к пульсациям приложения, чтобы определить подходящий фильтрующий конденсатор.

Просто чтобы добавить больше об электромагнитных излучениях.

Большинство компаний рекомендуют конденсаторы 0,1 мкФ для каждого входного питания. Имейте в виду, что это только необходимый минимум, чтобы избежать провалов напряжения, которые могут повлиять на работу. Если вы собираете печатную плату, которая должна пройти часть 15 FCC по выбросам, вам нужно пойти дальше.

В конечном итоге вам необходимо рассчитать всю емкость, необходимую для плоскости источника питания, на основе конструкции печатной платы и энергопотребления. Общее эмпирическое правило, которое я использую в качестве отправной точки, - это один танталовый конденсатор 10 мкФ на основную микросхему (микроконтроллер, АЦП, ЦАП и т. д.), а затем конденсаторы 0,1 мкФ и 10 нФ на каждом выводе питания на каждой микросхеме. Конденсаторы емкостью 10 нФ должны быть небольшими — предпочтительно размером 0402 или не более 0603 — во избежание того, чтобы индуктивность выводов корпуса свела на нет эффект конденсатора.

Я настоятельно рекомендую эту книгу , если вы планируете заняться высокоскоростным цифровым дизайном, а под высокой скоростью понимается все, что превышает 1 МГц.

В последнее время очень часто возникают вопросы, связанные с развязкой. Подробный ответ я дал здесь: Развязывающие колпачки, разводка печатной платы

Это говорит о проблемах развязки и компоновке. Сглаживание питания - совсем другое дело. Обычно для этого требуются конденсаторы большего размера, которые должны иметь возможность хранить разумное количество энергии, поскольку частота пульсаций источника питания намного ниже, чем частоты, на которые рассчитаны конденсаторы с развязкой.

Я хотел бы подчеркнуть один из тезисов Джулучани. Очень важно расположить конденсатор как можно ближе к источнику питания микросхемы. Это может помочь устранить любой шум, который возникает где-либо еще, будь то в вашей схеме, от источника питания или даже от некоторого шума, излучаемого источником за пределами вашей платы.

jluciani прав, что 0,1 мкФ очень часто помещают рядом с микросхемами. Просто подумайте о емкости как о том, сколько заряда может удерживать конденсатор, поэтому чем больше емкость, тем больше заряда он удерживает. Если вы соедините конденсаторы параллельно, вы добавите больше емкости, что приведет к более высокой эффективной емкости.

Что касается вашего вопроса о том, нужен ли он этому чипу или нет, я бы сказал, что это не повредит. В техническом описании обычно указывается, нуждается ли чип в развязывающих (также называемых сглаживающими) конденсаторах, и если да, то каково рекомендуемое значение.

Просто чтобы добавить несколько моментов к другим ответам:

Чтобы измерить влияние пиков тока на напряжение питания, вам понадобится быстрый осциллограф. Это зависит от скорости цепей, но я думаю, вам понадобится полоса пропускания от 200 МГц до 1 ГГц.

Кроме того, если цепь питания, несущая пики тока, велика, это вызовет радиоизлучение, что не одобряется по различным техническим и юридическим причинам. Шунтирующий конденсатор действует как ярлык для этих всплесков, поэтому излучение намного меньше.

Байпасные заглушки достаточно дешевы, поэтому во многих случаях нет причин не ставить их везде. Однако, если пространство или стоимость являются крайними проблемами, может быть разумно оставить некоторые из них. Ключ в том, чтобы распознать, что может произойти, если их оставить. Мое предложение состояло бы в том, чтобы предположить наихудший сценарий, если они опущены: (1) радиочастотное излучение на частоте переключения входа может быть увеличено, и (2) каждый раз, когда вход переключается, предполагается, что выходы устройства и внутреннее состояние могут произвольно глючить. Если какое-либо из этих поведений может быть проблемой, требуются обходные ограничения. Если ни то, ни другое не будет проблемой (например, из-за того, что ни один из входов не переключается достаточно часто, чтобы излучение стало проблемой, устройство не имеет внутреннего состояния,

В общем случае некоторые или многие микросхемы, транзисторы или лампы (лампы) будут подключены к одному и тому же источнику питания. Поскольку устройство в этих ситуациях работает, оно потребляет различное количество тока от источника питания в соответствии с проходящим через него сигналом. Поскольку источники питания не идеальны, переменный ток вызывает появление переменного напряжения на шинах питания. Все остальные устройства, подключенные к тому же источнику питания, будут чувствовать это напряжение, т.е. в них будет вводиться шумовой сигнал. Это может вызвать нестабильность в аналоговых цепях или неправильное переключение в цифровых. Размещая конденсаторы DEcoupling в точках, описанных выше, напряжение питания становится более стабильным, и устройства развязываются друг от друга.

Часто в даташите на микросхему конкретно указывается, сколько и какого размера конденсаторов использовать. Если это не так, лучше всего прикрепить колпачок 1 мкФ к контактам питания каждого чипа, а также колпачок большего размера где-нибудь на плате. (До 2001 г. в передовой практике использовались конденсаторы 0,1 мкФ).

PS: вы рассматривали возможность использования 74HC595 или 74HC166 вместо 74195? Я подозреваю, что это сработает так же хорошо и освободит несколько контактов на вашем Arduino.

Люди обычно дают одно объяснение, когда их спрашивают, какова функция развязывающих конденсаторов, но на самом деле они выполняют несколько задач.

Вот список вещей, о которых я знаю:

Они уменьшают отскок от земли

Отскок заземления — это явление, при котором изменение разности напряжений на заземляющем слое отрицательно влияет (в основном) на аналоговые и (иногда) цифровые сигналы. Для аналоговых сигналов, таких как аудио, например, это может проявляться в виде высокочастотного шума. Для цифровых сигналов это может означать отсутствующие/задержанные/фальшивые переходы сигналов.

Изменение разности напряжений вызвано созданием и исчезновением магнитных полей, вызванных изменением тока.

Чем длиннее путь, по которому должен следовать ток, тем выше связанная с ним индуктивность и тем сильнее становится отскок земли. Множественные пути течения также усугубляют проблему, а также скорость изменения тока.

Течение тока, очевидно, происходит между источником питания и подключенной ИС, но несколько менее очевидно также между «общающимися» ИС. Текущий поток, связанный с двумя IC, выглядит следующим образом; источник питания -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> источник питания.

Развязывающий конденсатор эффективно уменьшает длину пути тока, работая в качестве источника питания, тем самым уменьшая индуктивность и, следовательно, дребезг земли.

Предыдущий пример становится; Крышка -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> Крышка

Они поддерживают стабильный уровень напряжения

Есть две причины, по которым уровни напряжения колеблются:

• Индуктивность дорожки/провода уменьшает максимальную скорость изменения тока через эту дорожку/провод; внезапное увеличение «потребности» в токе приведет к падению напряжения; внезапное снижение «спроса» на ток приведет к скачку напряжения.
• Блоки питания (особенно импульсного типа) требуют времени для отклика и будут немного отставать от текущей потребности.

Развязывающий конденсатор сгладит потребление тока и уменьшит любые падения или скачки напряжения.

Они МОГУТ уменьшить электромагнитные помехи (передача)

Когда мы говорим об электромагнитных помехах, мы имеем в виду либо передачу непреднамеренных электромагнитных помех, либо получение преднамеренных или непреднамеренных электромагнитных сигналов, которые мешают работе вашего устройства. Как правило, это относится к самой передаче.

Размещение (развязывающих) конденсаторов между плоскостями питания и заземления изменяет коэффициент передачи в диапазоне частот. По- видимому , использование только одного значения для ваших конденсаторов для всей печатной платы, а также конденсаторов с потерями / высоким сопротивлением — это путь, если вам нужно уменьшить электромагнитные помехи, однако это противоречит общепринятой практике (которая выступает за увеличение порядка емкости по мере приближения к вам). к блоку питания). Большинство людей на самом деле не беспокоятся об электромагнитных помехах, если они делают схемы для своего хобби (хотя радиолюбители обычно этим занимаются), но это становится неизбежным, когда вы разрабатываете схему для массового производства.

Конденсатор (развязка) МОЖЕТ уменьшить непреднамеренное электромагнитное излучение, создаваемое вашей схемой.

Чтобы ответить на оставшиеся вопросы..

Как я узнаю, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и куда он должен идти?

Обычно вы размещаете развязывающий конденсатор, когда это возможно, выбирая наименьший физический размер с наибольшим значением как можно ближе к выводу питания микросхемы.

Нужен ли 4-битный регистр сдвига с параллельным доступом SN74195N, используемый с Arduino? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему бы и нет?

Это, вероятно, будет работать нормально, но зачем возиться с «вероятно», если вы можете увеличить шансы, разместив компонент, который стоит несколько центов, а в некоторых случаях даже один цент?

Давайте избавимся от магии шунтирующих заглушек, улучшив модель схемы; Семейные вентили 7410 (тройной NAND) выглядят так:

с сквозным током (без учета токов через 4 кОм и 1,6 кОм), вычисляемым как

Этот вентиль, доступный в комплекте 3-в-1, обеспечивает высокий привод (большое разветвление) и высокую скорость. Внутри 74195 нам не нужен весь этот привод. Нам нужна скорость. Мы предполагаем сквозной ток 2 мА на гейт (~~15 гейтов на FF)

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

Нам нужно хранить достаточно заряда для 1 мкс активной тактовой активности. ПОЧЕМУ? Зачем использовать 1uS? Потому что большие конденсаторы и длинные провода будут ЗВОНИТЬ и нарушать работу VDD на микросхеме, если их не заглушить. Какая частота звонка? 1 мкГн и 1 мкФ производят 0,159 кГц. Как заглушить?

Используя Q=1 [определяемый как Q = ZL/R = 2(pi Fring L/R)] и Fring = 1/2*pi sqrt(L C), мы находим Rdampen = sqrt(L/C). Для 1 мкГн и 1 мкФ нужен ОДИН ОМ.

Рассмотрим эту схему для хорошего управления звонком VDD:

^{смоделируйте эту схему}

Что сообщает Signal Chain Explorer об этом демпфировании 1 Ом?

Сюрприз? Инженер-логик также должен ПРОЕКТИРОВАТЬ фильтрацию VDD и демпфирование VDD.

Практически каждая микросхема должна иметь развязывающий конденсатор. Если в техническом описании ничего не указано, как минимум установите керамический колпачок 0,1 мкФ рядом с выводом питания микросхемы, рассчитанный как минимум на удвоенное напряжение, которое вы используете.

Многие вещи потребуют большей емкости на входе. Эти рекомендации часто можно найти в технических описаниях, примечаниях к приложениям или на схемах оценочных комплектов.

Чтобы коротко ответить на ваш вопрос: постоянный ток не проходит через конденсатор, переменный ток проходит. Большая часть шума связана с переменным током и/или имеет характеристики переменного тока, т. е. переключение +- некоторое значение постоянного тока. Чтобы учесть эти изменения, вы используете конденсатор DECOUPLING. Он просто закорачивает сигналы переменного тока. Существует множество отличных заметок о приложениях о том, почему и как они работают: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf .

Кроме того, разговоры о накопительных/сглаживающих конденсаторах - поднятие их в этой теме просто сбивает с толку новичков с точки зрения терминологии.
Сглаживание делается для создания очень стабильного напряжения. Например, выходы некоторых датчиков/цепей зависят пропорционально напряжению их питания. Пульсации в поставке напрямую повлияют на их выпуск.

Они необходимы для снижения импеданса системы подачи энергии. На высоких частотах источники питания имеют значительный последовательный импеданс, в основном из-за индуктивности силовых цепей. Взгляните на раздел «Обрушение рельсов в обеспечении целостности питания» в следующей статье, которая поможет вам понять эту идею: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/

Конденсатор является накопительным элементом и сохраняет энергию в виде заряда. Возвращаясь к развязывающему конденсатору, его также называют байпасным конденсатором, поскольку он будет обходить пульсации питания, и этот заряженный конденсатор будет пытаться поддерживать фиксированное постоянное напряжение на выводе VDD.