Woher kommt der Wert von 0,1 uF für Bypass-Kondensatoren?

Fast jeder empfiehlt 0,1 uF für Bypass-Kondensatoren. Warum dieser Wert? Ich gehe davon aus, dass die Verwendung größerer Werte nicht schadet. Ist dies also nur ein "vernünftiges Minimum"? Und wenn ja, warum wählen die Leute das Minimum, anstatt höhere Werte zu verwenden? Mir scheint, Sie können höhere Werte ohne zusätzliche Kosten erhalten.

Kondensatoren mit höherem Wert sind beim Umgang mit dem vom Chip gezogenen Hochfrequenzstrom nicht so effektiv. Ab einer bestimmten Frequenz verhält sich ein Kondensator wie ein Induktor. Der Wert, bei dem sich seine Charakteristik ändert, ist die Serien-Eigenresonanz des Geräts:

So werden Sie feststellen, dass bei Mikrowellengeräten 100pF-Kondensatoren neben den Bulk-Kondensatoren auch als Entkopplung vorhanden sind. Hier ist ein Beispiel für drei Kondensatoren, die ein FPGA entkoppeln:

Die schwarze Kurve ist die zusammengesetzte Impedanz aller drei verwendeten Kondensatoren. Von hier genommen .

Woher kommt der Wert von 0,1 uF für Bypass-Kondensatoren?

Es ist ein guter Kompromiss zwischen Bulk- und Hochfrequenzkapazität, ABER wenn Sie Funkgeräte entwerfen, kann Ihr Standard-Entkoppler 10nF oder 1nF (UHF) sein. Wenn Sie wirklich schnelle digitale Inhalte entwerfen, können Sie auch 2 oder 3 verschiedene Werte parallel verwenden, wie im obigen FPGA-Bild.

Nicht jeder empfiehlt 0,1 uF als Entkopplungskondensator, obwohl dies ein guter Ausgangspunkt für 74HC und Single-Gate-Logik ist. Kevegaros Antwort hier ist gut.

Für Xilinx-FPGAs ist hier beispielsweise eine Empfehlung für Bypass-Kondensatoren:

Sie empfehlen 33 Kondensatoren mit drei verschiedenen Werten pro Gerät.

Andys Erklärung ist wunderschön und ausführlich. Wenn Sie Schwierigkeiten haben zu verstehen, können Sie sich leicht vorstellen, wie die Entkopplung in einfachen Worten funktioniert. Stellen Sie sich in Ihrem Kopf eine 3D-Ansicht Ihres Boards vor, es hat eine Last (ICs usw.) und eine Stromquelle. Die Last kann plötzlich mehr Strom von der Stromversorgung "anfordern", es dauert jedoch einige Zeit, bis der Strom von der Stromversorgung die Last über die Leiterbahnentfernung und den Leiterbahnwiderstand erreicht. Auch der eingebaute Widerstand der Versorgung selbst oder die Zeit, die ein Schaltnetzteil benötigt, um den neuen Strombedarf zu erkennen und einzustellen (Versorgungsbandbreite), ist ein Faktor. Kurz gesagt, ein Netzteil liefert nicht sofort Strom, es braucht Zeit.

Da die Last auf das Eintreffen des Stroms wartet, hat sie keine andere Wahl, als die Spannung herunterzuziehen, um den "fehlenden" Strom zu kompensieren. Es muss dem Gesetz V = IR gehorchen, die Last hat den Widerstand (R) verringert, um anzuzeigen, dass es mehr Leistung benötigt. Es war kein Strom mehr sofort verfügbar, also bleibe ich gleich, also muss V abnehmen, um dies zu kompensieren.

Wie lösen wir das? Wir platzieren kleine Kondensatoren in der Nähe der Last. Diese Kondensatoren sind kleine "Ladungsbänke", denen sich die Last bei Überlast schnell entziehen kann, schneller als wenn sie darauf warten, dass der Strom aus der Versorgung kommt. Warum ist es schneller? Weil der Abstand zwischen Kondensator und Last kürzer ist und weil der eingebaute Widerstand eines Kondensators viel kleiner als ein Netzteil ist. Wenn "I" sofort verfügbar ist, muss "V" nicht kompensieren - alle sind glücklich.

Kondensatoren sind zwar viel schneller als Netzteile, benötigen aber auch Zeit, um sich zu "entladen" und die Last im Verhältnis zu ihrem Innenwiderstand mit Strom zu versorgen, der mit der Kapazität (Farad) zunimmt. Kurz gesagt, größere Kondensatoren brauchen länger, um den benötigten Strom zu liefern. Sie möchten also einen Bypass-Kondensator wählen, der schnell genug ist, um auf die Last zu reagieren, aber auch genügend Ladung enthält, um den Bedarf zu decken, während der Strom vom Netzteil zur Last fließt.

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

Wie bereits erwähnt, war es für die allgemeine Logik ein guter Kompromiss zwischen Reaktionszeit- und Kapazitätsanforderungen der Überbrückungskappen zu den Lastanforderungen. Sie könnten den Rechner herausholen und genau herausfinden, was der beste Wert ist, aber es sind auch Stücklistenkosten zu berücksichtigen. Wenn Sie jeden Überbrückungskondensator auf seine Last abstimmen, werden viel mehr Positionen in Ihrer Stückliste gespeichert und es wird sehr schnell teuer! 0,1 uF für die meisten Logikschaltungen oder für Hochgeschwindigkeitsschaltungen 0,01 uF (100 nF) sind normalerweise eine gute Wahl. Sparen Sie Geld in Ihrer Stückliste, wo Sie innerhalb der Grenzen der Anwendung können.

Für Lasten, die häufig den Strombedarf ändern (Hochfrequenzlasten), gibt es andere Möglichkeiten, das Problem der Reaktionszeit gegenüber dem Kapazitätsproblem von Überbrückungskondensatoren zu umgehen. Sie können:

1. Verwenden Sie einen besseren Leistungsregler mit höherer Bandbreite, damit die Stromversorgung von der Quelle zur Last nicht so lange dauert.
2. Legen Sie zwei Kondensatoren parallel. Zwei Widerstände gleichzeitig verringern den Gesamtwiderstand und unterscheiden sich nicht von den Innenwiderständen der Kondensatoren. Daher haben die kombinierten Kondensatoren eine höhere Kapazität und eine längere Reaktionszeit!
3. Sie können parallele Kappen mit unterschiedlicher Kapazität verwenden, Big Buddy und Little Buddy. Eine könnte also 0,01 uF und eine andere 0,1 uF sein. Der erste hat eine schnelle Reaktion und der zweite reagiert etwas verzögert, liefert aber Strom für eine längere Dauer.
4. Sie können die Kapazität auch in Ihrer Schaltung verteilen, jedoch nicht unbedingt am Lastpunkt. Dieses Ansprechen des Ladungsspeichers ist schneller als das Ansprechen der Quelle, sodass Sie kleinere Bypass-Kondensatoren an der Last verwenden können.

Dies ist eine vereinfachte Ansicht von allem. Insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen gibt es weitere Faktoren. Wenn Sie sich jedoch vorstellen können, welche elektrischen Grundprinzipien in Ihrer Schaltung als dynamisches System von Angebot und Nachfrage zum Tragen kommen, werden viele der von uns gelesenen "Best Practices" zum gesunden Menschenverstand. Eine einfachere Analogie könnte die Lieferkette von Amazon sein. Ihr Ziel: Artikel in den USA so schnell wie möglich liefern. Ihre Lösung: Lagerhäuser in der Nähe jeder Stadt, kürzere Reaktionszeiten beim Auslagern von Artikeln aus dem Lager und im LKW. Als nächstes kommt die Lieferung der Drohnen. Es ist ein logistischer Kampf zwischen Angebot und Nachfrage und einem Kompromiss zwischen Reaktionszeit und Kapazität und der Größe jedes Verteilungsknotens und den Kosten!

Ein wirklich gutes Video von EEVBlog über Faktoren für Parallelkondensatoren: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

Die Empfehlung, mehrere Werte zu verwenden, wie beispielsweise 100nF + 10µF, stammt aus den 90er und 80er Jahren, als 100nF der am höchsten verfügbare Keramikkondensator mit angemessenem Hochfrequenzgang war. Der 10 uF-Kondensator wäre ein Elektrolyt- oder Tantalkondensator mit schlechtem Hochfrequenzverhalten.

Das hat sich heute komplett geändert. Jetzt können Sie problemlos 10µF-Keramik in 0603- oder sogar 0402-Paketen kaufen. Bei Keramikkondensatoren hat der Hochfrequenzgang nichts mit dem Kondensatorwert und alles mit der Baugröße des Kondensators zu tun.

Bei modernen Kondensatoren ist es normalerweise sinnlos, 100 nF parallel zu 10 µF zu schalten.

In der folgenden Abbildung ist leicht zu erkennen, dass moderne hochwertige Keramikkondensatoren bei gleicher Gehäusegröße für hohe Frequenzen genauso gut geeignet sind wie hochwertige Kondensatoren. (Die kleinen negativen Einbrüche sind die Resonanzfrequenzen. Sie möchten sich beim Entkoppeln von Kondensatoren nicht auf die Resonanzfrequenz verlassen, daher sollten diese Einbrüche ignoriert werden.)

_{(Bildquelle: Analog Dialogue Sep 2005 - Ein praktischer Leitfaden für das Layout von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten )}