Warum zu viele Kondensatoren parallel für das Vdd-Versorgungsnetz? Können wir nicht einfach alle durch einen großen Kondensator ersetzen?

Hier ist eine schematische Darstellung des Leistungsregler-ICs und der Filter einer Basys-2-Platine. Es ist nur ein Beispiel, aber es ähnelt ziemlich vielen Designs, die ich gesehen habe.

Warum werden so viele Kondensatoren parallel geschaltet und nicht nur ein großer Kondensator? Kann mir jemand das Für und Wider geben, viele Kondensatoren parallel zu schalten, anstatt einen großen Kondensator für jedes Versorgungsnetz?

Kappen befinden sich in der Nähe jedes digitalen ICs oder eines kleinen Satzes solcher ICs, um als lokale Speicher zu fungieren und die schnell schwankenden Stromanforderungen solcher ICs auszugleichen. Dies verhindert, dass diese schnell schwankenden Ströme schwankende Spannungen an längeren Versorgungsdrähten (PCB-Leiterbahnen) verursachen und möglicherweise andere mit diesen Versorgungsdrähten verbundene Chips stören.

In einigen Fällen sehen Sie auch eine große Kappe parallel zu einer kleinen Kappe direkt daneben. Die große Kappe bietet ein großes Reservoir, hat jedoch einen erheblichen Innenwiderstand und reagiert daher nicht so schnell wie eine kleine Kappe. Zusammen können die beiden Kappen also schnell reagieren und ein großes Reservoir bereitstellen.

Reale Kondensatoren haben sowohl einen Innenwiderstand als auch eine Induktivität in Reihe mit ihrer "idealen" Kapazität. Die Auswirkungen sind bei Kondensatoren mit größerem Wert größer und variieren je nach Kondensatormaterial und -aufbau. Für die gegenwärtige Diskussion verlangsamen diese beiden nicht idealen Eigenschaften die Geschwindigkeit, mit der der Kondensator reagieren kann.

Eine gute Diskussion finden Sie hier: http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/21.html

Ein zusätzlicher Artikel zum Board-Layout für High-Speed-Digital: http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf

Diese Kappen werden als "Entkopplungs" -Kondensatoren verwendet. Auch wenn sie so aussehen, als wären sie alle nebeneinander, befinden sie sich (oft paarweise) auf der Leiterplatte neben den Leistungsstiften der digitalen ICs.

Im Gegensatz zu analogen Schaltkreisen verbraucht ein digitaler Schaltkreis Strom in kurzen, schnellen Bursts. Alle Leiterbahnen oder Drähte haben eine gewisse Induktivität, die verhindert, dass sich der Strom so schnell ändert, wie der IC ihn benötigt. Dies verursacht zwei Probleme: Die Spannung schwankt am Eingangsstift und der sich schnell ändernde Strom bewirkt, dass die Leiterbahnen elektrisches Rauschen abstrahlen.

Ein Entkopplungskondensator erfüllt zwei Hauptfunktionen:

1. Die erste Funktion besteht darin, diese beiden Probleme zu verhindern. Es fungiert als kleiner Leistungspuffer direkt am IC und kann die erforderlichen schnell schwankenden Ströme bereitstellen. Da sie sich direkt neben den ICs befinden, gibt es keine langen Spuren, die als Rauschgeneratoren wirken könnten.

2. Die zweite Funktion besteht darin, als Filter zu wirken und das von außen auf den Chip einfallende Rauschen zu dämpfen. Hier kommen die Mehrfachwerte von Kondensatoren ins Spiel. Die Kondensatoren haben auch eine geringe parasitäre Induktivität. Jeder hinzugefügte Kondensator erzeugt einen LC-Filter. Jeder unterschiedliche Kondensatorwert, kombiniert mit der parasitären Induktivität, filtert einen unterschiedlichen Frequenzbereich. Es ist üblich, an jedem Stromanschluss 100pF neben einer 0,1uF-Kappe zu sehen. Diese Kombination hat eine günstige Filterbandbreite.

Obwohl Sie einen großen Kondensator verwenden könnten, um die nominelle Buskapazität zu erreichen, würden Sie die Entkopplungsvorteile verlieren.

Dieser FPGA deckt einen breiten Frequenzbereich im Bereich von 500 kHz bis 500 MHz ab. Um die Stromversorgungsimpedanz von ms bis ns flach zu halten, wird eine parallele Kombination von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten in einer geeigneten Mischung verwendet. Der Wert ist nicht sehr kritisch und liegt normalerweise im Bereich von 0,001 μF bis 4,7 μF. Die Kombination der Werte hilft jedoch, die Impedanz niedrig zu halten und Resonanzspitzen zu vermeiden (z. B. ein Wert pro Jahrzehnt). mit höherem ESR) und sie haben eine gute Leistung in einem breiteren Frequenzbereich, so dass keine Kombination erforderlich ist. Typische Werte liegen zwischen 470μF und 1000μF.

So ist es normal, bis zu 50 Kondensatoren auf der Grundfläche eines FPGA oder in der Nähe zu sehen, z. B. 1x680μF, 7x2,2μF, 13x0,47μF und 26x0,047μF

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