Was ist ein Entkopplungskondensator und woher weiß ich, ob ich einen brauche?

Was ist ein Entkopplungskondensator (oder Glättungskondensator, wie in der nachstehenden Verknüpfung angegeben)?

Woher weiß ich, ob ich einen brauche und wenn ja, welche Größe und wo muss er hingehen?

In dieser Frage werden viele Chips erwähnt, die einen zwischen VCC und GND benötigen. Woher weiß ich, ob es sich bei einem bestimmten Chip um einen handelt?

Würde ein SN74195N 4-Bit-Schieberegister mit parallelem Zugriff, das mit einem Arduino verwendet wird, eines benötigen? (Um mein aktuelles Projekt als Beispiel zu verwenden) Warum oder warum nicht?

Ich glaube, ich fange an, die Grundlagen von Widerständen und einige Orte, an denen sie verwendet werden, zu verstehen, welche Werte an diesen Orten usw. verwendet werden sollten, und ich möchte auch Kondensatoren auf der Basisebene verstehen.

Ich war derjenige, der diese Frage gestellt hat. Hier ist mein rudimentäres Verständnis:

Sie schließen Kondensatoren an $V_{CC}$ / GND an, um die Spannung konstanter zu halten. In einem Gleichstromkreis fungiert ein Kondensator als offener Stromkreis, sodass dort kein Problem mit einem Kurzschluss besteht. Da das Gerät (eingeschaltet wird $V_{CC}$ = 5 V), wird der Kondensator mit Kapazität geladen und wartet , bis es eine Änderung in der Spannung zwischen den , $V_{CC}$ und GND ( $V_{CC}$ = 4,5V). Zu diesem Zeitpunkt entlädt sich der Kondensator und versucht, die Spannung wieder auf das Ladungsniveau im Kondensator (5 V) zu bringen. Dies wird als "Glätten" bezeichnet (oder zumindest so, wie ich es nenne), da die Spannungsänderung weniger ausgeprägt ist.

Letztendlich wird die Spannung durch einen Kondensator niemals auf 5 V zurückkehren, sondern der Kondensator wird sich entladen, bis die Ladung in ihm der Versorgungsspannung (einem Gleichgewicht) entspricht. Ein ähnlicher Mechanismus ist für die Glättung verantwortlich, wenn $V_{CC}$ zu weit über seinen Durchschnitt ansteigt ( $V_{CC}$ = vielleicht 5,5 V ).

Was den Grund betrifft, warum Sie sie benötigen, sind sie in digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen sehr wichtig. Ich kann mir nicht vorstellen, dass Sie eine für eine SN74195 benötigen, aber es kann nicht schaden!

Stromversorgungen sind langsam ... es dauert ungefähr 10 us, um zu antworten (dh Bandbreite bis zu 100 kHz). Wenn also Ihr großer, schlechter Multi-MHz-Mikrocontroller eine Reihe von Ausgängen von hoch nach niedrig schaltet, wird er von der Stromversorgung gespeist, was dazu führt, dass die Spannung sinkt, bis er merkt (10 us später!), Dass er etwas tun muss um die sinkende Spannung zu korrigieren.

Um langsame Stromversorgungen auszugleichen, verwenden wir Entkopplungskondensatoren. Entkopplungskondensatoren sorgen für einen schnellen "Ladungsspeicher" in der Nähe des IC. Wenn Ihr Mikro also die Ausgänge schaltet, bezieht es zuerst Strom aus den Kondensatoren, anstatt Strom aus dem Netzteil zu ziehen. Dadurch wird das Netzteil einige Zeit in Anspruch genommen, um sich an die veränderten Anforderungen anzupassen.

Die "Geschwindigkeit" von Kondensatoren variiert. Grundsätzlich sind kleinere Kondensatoren schneller; Die Induktivität ist in der Regel der begrenzende Faktor. Aus diesem Grund empfiehlt jeder, die Kappen so nahe wie möglich an VCC / GND zu platzieren und dabei die kürzesten und breitesten Kabel zu verwenden, die praktisch sind. Wählen Sie also die größte Kapazität im kleinsten Gehäuse aus, und sie liefern so schnell wie möglich die meiste Ladung.

Wird normalerweise als "Bypass-Kappe" bezeichnet, weil das Hochfrequenzrauschen den IC umgeht und direkt zur Erde fließt, oder als " Entkopplungskappe ", weil verhindert wird, dass der Stromverbrauch eines ICs in die Stromversorgung eines anderen ICs eingekoppelt wird.

"Woher weiß ich, ob es sich bei einem bestimmten Chip um einen handelt?"

Nehmen Sie einfach an, sie alle tun es. :) Wenn ein Chip zeitweise Strom zieht, sinkt die Versorgungsspannung zeitweise ab. Wenn ein anderer Chip "stromabwärts" ist, sieht er dieses Rauschen an seinen Leistungsstiften. Wenn es schlimm genug ist, kann es zu Fehlern oder Rauschen oder was auch immer kommen. Im Allgemeinen setzen wir Bypass-Kappen auf alles, "vor" dem IC. (Ja, die Ausrichtung der Leiterbahnen und die Position der Komponenten sind wichtig, da Kupfer kein perfekter Leiter ist.)

Ein Glättungskondensator (auch als Entkopplungskondensator bezeichnet ) wird verwendet, um die Änderung der Versorgungsspannung zu reduzieren. Wenn Sie hohe Ströme von Ihrem Netzteil beziehen (wie beim Status der digitalen Logikschalter), ändert sich die Versorgungsspannung. Das Schalten versucht, große Momentanströme zu ziehen und erzeugt einen Spannungsabfall aufgrund der Impedanz der Spannungsquelle und der Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem IC. Ein Entkopplungskondensator hilft dabei, die Versorgungsspannung am Gerät aufrechtzuerhalten (oder zu glätten). Durch die Nähe dieses Speicherelements zum IC wird die Spannungsänderung am IC verringert.

Wenn Sie nicht die Versorgungsspannung an jedem IC messen, während der IC seine maximalen Schaltströme aufnimmt, ist es schwierig zu sagen, wie effektiv der Kondensator sein wird. Für die meisten digitalen Geräte wird 0,1 µF Keramik in unmittelbarer Nähe des Geräts empfohlen. Da die Kondensatoren klein und kostengünstig sind, fügen die meisten Designer die Kondensatoren einfach hinzu. Manchmal, wenn ich zwei Logikbausteine ​​habe, die sehr nahe beieinander liegen, kann es sein, dass Sie einen einzelnen Kondensator zwischen zwei ICs ausrichten können. Dies ist normalerweise nicht der Fall.

Stromversorgungs-ICs haben größere Anforderungen an die Glättungskondensatoren, da die Schwankungsströme größer sind. Für diese Geräte müssen Sie die Anforderungen an die Anwendungswelligkeit genauer untersuchen, um den geeigneten Filterkondensator zu bestimmen.

Nur um die EM-Emissionen zu steigern.

Die meisten Unternehmen empfehlen bei jedem Stromeingang eine Obergrenze von 0,1 uF. Beachten Sie, dass dies nur das Nötigste ist, um Spannungseinbrüche zu vermeiden, die den Betrieb beeinträchtigen könnten. Wenn Sie eine Leiterplatte bauen, die FCC Part 15 für Emissionen bestehen muss, müssen Sie noch weiter gehen.

Letztendlich müssen Sie die gesamte auf der Stromversorgungsebene benötigte Kapazität basierend auf dem PCB-Design und dem Stromverbrauch berechnen. Eine allgemeine Faustregel, die ich als Ausgangspunkt verwende, ist eine 10uF-Tantalkappe pro Haupt-IC (Mikrocontroller, ADC, DAC usw.) und dann eine 0,1uF- und eine 10nF-Kappe an jedem Leistungsstift auf jedem IC. Die 10nF-Kappen müssen klein sein - vorzugsweise 0402 oder höchstens 0603 -, um zu vermeiden, dass die Leitungsinduktivität aus dem Gehäuse die Wirkung des Kondensators aufhebt.

Ich kann dieses Buch nur empfehlen, wenn Sie sich mit digitalem High-Speed-Design beschäftigen möchten. High-Speed ​​bedeutet eigentlich alles über 1 MHz.

Fragen im Zusammenhang mit der Entkopplung scheinen in letzter Zeit eine große Rolle zu spielen. Ich habe hier eine ausführliche Antwort gegeben: Entkopplungskappen, Leiterplattenlayout

Hier geht es um Entkopplungsprobleme und Layout. Das Glätten der Stromversorgung ist eine ganz andere Sache. Dies erfordert im Allgemeinen größere Kappen, die in der Lage sein müssen, eine angemessene Energiemenge zu speichern, da die Welligkeitsfrequenz der Stromversorgung viel niedriger ist als die Frequenzen, für die Entkopplungskappen vorgesehen sind.

Ich möchte einen Punkt von jluciani hervorheben. Es ist sehr wichtig, den Kondensator so nahe wie möglich an der Leistungsaufnahme des Chips anzubringen. Dies kann dazu beitragen, Rauschen, das an einer anderen Stelle in Ihrem Schaltkreis von der Stromversorgung ausgeht, oder sogar Rauschen, das von einer Quelle außerhalb Ihres Boards abgestrahlt wird, zu beseitigen.

jluciani ist richtig, dass 0,1 uF sehr häufig neben ICs platziert werden. Stellen Sie sich die Kapazität einfach so vor, wie viel Ladung der Kondensator aufnehmen kann. Je größer die Kapazität, desto mehr Ladung wird gespeichert. Wenn Sie Kondensatoren parallel schalten, erhöhen Sie die Kapazität, was zu einer höheren effektiven Kapazität führt.

Was deine Frage betrifft, ob dieser Chip ihn braucht oder nicht, würde ich sagen, es würde nicht schaden. Das Datenblatt gibt normalerweise an, ob der Chip Entkopplungskondensatoren (auch bekannt als Glättungskondensatoren) benötigt, und wenn ja, wie hoch der empfohlene Wert ist.

Nur um ein paar Punkte zu den anderen Antworten hinzuzufügen:

Um die Auswirkungen der Stromspitzen auf die Versorgungsspannung zu messen, benötigen Sie ein schnelles Oszilloskop. Es hängt von der Geschwindigkeit der Schaltkreise ab, aber ich vermute, Sie benötigen eine Bandbreite von 200 MHz bis 1 GHz.

Auch wenn der Stromkreis, der die Stromspitzen trägt, groß ist, werden Funkemissionen verursacht, die aus verschiedenen technischen und rechtlichen Gründen verpönt sind. Ein Überbrückungskondensator fungiert als Abkürzung für diese Spitzen, sodass viel weniger Emissionen auftreten.

Bypasskappen sind so billig, dass es in vielen Fällen keinen Grund gibt, sie nicht überall anzubringen. Wenn Platz oder Kosten extreme Probleme sind, kann es jedoch sinnvoll sein, einige davon wegzulassen. Der Schlüssel ist zu erkennen, was passieren kann, wenn sie weggelassen werden. Mein Vorschlag wäre, ein Worst-Case-Szenario anzunehmen, wenn sie ausgeschaltet bleiben: (1) Die HF-Strahlung bei der Eingangsschaltfrequenz kann erhöht werden, und (2) jedes Mal, wenn ein Eingang umschaltet, können die Ausgänge und der interne Zustand des Geräts angenommen werden willkürlich gescheitert sein. Wenn eines dieser Verhaltensweisen ein Problem darstellt, sind Bypasskappen erforderlich. Wenn beides kein Problem darstellt (z. B. weil keiner der Eingänge so oft schaltet, dass die Strahlung ein Problem darstellt), hat das Gerät keinen internen Zustand.

Im Allgemeinen werden einige oder viele ICs, Transistoren oder Ventile (Röhren) an dieselbe Stromversorgung angeschlossen. Da ein Gerät in diesen Situationen arbeitet, zieht es unterschiedliche Strommengen aus der Stromversorgung entsprechend dem durchlaufenden Signal. Da die Stromversorgungen nicht perfekt sind, tritt aufgrund des unterschiedlichen Stroms eine unterschiedliche Spannung auf den Versorgungsschienen auf. Alle anderen an die gleiche Stromversorgung angeschlossenen Geräte spüren dann diese Spannung, d. H. ein Rauschsignal wird in sie eingekoppelt. Dies kann zu Instabilität in analogen Schaltkreisen oder zu falschem Schalten in digitalen Schaltkreisen führen. Durch Platzieren von Entkopplungskondensatoren an den oben beschriebenen Punkten wird die Versorgungsspannung stabiler und die Geräte werden voneinander entkoppelt.

Im Datenblatt des Chips ist häufig speziell angegeben, wie viele und welche Größe Kondensatoren verwendet werden sollen. Wenn dies nicht der Fall, Best Practice ist ein 1 uF Kappe an den Power - Pins jedes Chips sowie eine größere Kappe irgendwo auf der Platine zu befestigen. (Vor 2001 wurden in der Best Practice 0,1 uF-Kappen verwendet).

ps: hast du erwogen, einen 74HC595 oder 74HC166 anstelle des 74195 zu verwenden? Ich vermute, das würde genauso gut funktionieren und ein paar Pins von Ihrem Arduino freisetzen.

Die Leute geben normalerweise eine Erklärung, wenn sie gefragt werden, welche Funktion die Entkopplung von Kondensatoren hat, aber die Wahrheit ist, dass sie mehrere Aufgaben erfüllen.

Hier ist die Liste der Dinge, die mir bekannt sind:

Sie reduzieren die Bodenreflexion

Ground Bounce ist ein Phänomen, bei dem eine sich ändernde Spannungsdifferenz über der Masseebene (meistens) analoge und (manchmal) digitale Signale negativ beeinflusst. Bei analogen Signalen wie beispielsweise Audio kann sich dies in Form von hohen Rauschen manifestieren. Für digitale Signale kann dies bedeuten, dass Signalübergänge fehlen / verzögert / gefälscht sind.

Die sich ändernde Spannungsdifferenz wird durch die Erzeugung und den Zusammenbruch von Magnetfeldern verursacht, die durch sich ändernde Stromflüsse verursacht werden.

Je länger der Weg ist, den der Stromfluss zurücklegen muss, desto höher ist die damit verbundene Induktivität und desto schlechter wird der Masse-Sprung. Mehrere Stromflusspfade verschlimmern das Problem ebenso wie die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom ändert.

Der Stromfluss erfolgt offensichtlich zwischen einer Stromversorgung und einem angeschlossenen IC, etwas weniger offensichtlich jedoch auch zwischen "kommunizierenden" ICs. Der mit zwei ICs verbundene Stromfluss sieht folgendermaßen aus. Spannungsversorgung -> IC 1 -> IC 2 -> Masse -> Spannungsversorgung.

Ein Entkopplungskondensator verringert effektiv die Länge eines Strompfades, indem er als Stromquelle fungiert, wodurch die Induktivität und damit die Masseprellen verringert werden.

Das vorherige Beispiel wird; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Ground -> Cap

Sie halten die Spannung stabil

Es gibt zwei Gründe, warum Spannungspegel schwanken:

• Die Leiterbahn- / Drahtinduktivität verringert die maximale Änderungsrate des Stroms durch die Leiterbahn / den Draht. Ein plötzlicher Anstieg des Strombedarfs führt zu einem Spannungsabfall. Ein plötzlicher Abfall des Strombedarfs führt zu einem Spannungsanstieg.
• Stromversorgungen (insbesondere solche vom Schaltertyp) benötigen Zeit, um zu reagieren, und werden geringfügig hinter der aktuellen Nachfrage zurückbleiben.

Ein Entkopplungskondensator glättet den Strombedarf und reduziert Spannungsabfälle oder -spitzen.

Sie KÖNNEN EMI (Übertragung) reduzieren

Wenn wir über elektromagnetische Störungen sprechen, beziehen wir uns entweder auf die Übertragung von unbeabsichtigten elektromagnetischen Störungen oder auf den Empfang von beabsichtigten oder unbeabsichtigten elektromagnetischen Signalen, die die Funktion Ihres Geräts beeinträchtigen. Typischerweise bezieht es sich auf die Übertragung selbst.

Die Platzierung von (Entkopplungs-) Kondensatoren zwischen Leistungs- und Masseebene verändert den Übertragungskoeffizienten über einen Frequenzbereich. Die Verwendung von nur einem Wert für Ihre Kondensatoren für die gesamte Leiterplatte sowie von verlustbehafteten / hochohmigen Kondensatoren ist anscheinend der richtige Weg, wenn Sie die EMI reduzieren müssen. Dies widerspricht jedoch der gängigen Praxis (die eine zunehmende Größenordnung der Kapazität befürwortet, je näher Sie dran sind) an die Stromversorgung). Die meisten Leute beschäftigen sich nicht wirklich mit EMI, wenn sie Schaltungen für ihr Hobby herstellen (obwohl dies normalerweise für Funkamateure der Fall ist), aber dies ist unvermeidlich, wenn Sie eine Schaltung für die Massenproduktion entwerfen.

Ein (Entkopplungs-) Kondensator KANN unbeabsichtigte elektromagnetische Strahlung, die von Ihrer Schaltung erzeugt wird, reduzieren.

Um Ihre verbleibenden Fragen zu beantworten ..

Woher weiß ich, ob ich einen brauche und wenn ja, welche Größe und wo muss er hingehen?

Normalerweise platzieren Sie nach Möglichkeit einen Entkopplungskondensator, wobei Sie die kleinste physische Größe mit dem größten Wert so nahe wie möglich am Stromversorgungsstift des IC wählen.

Würde ein SN74195N 4-Bit-Schieberegister mit parallelem Zugriff, das mit einem Arduino verwendet wird, eines benötigen? (Um mein aktuelles Projekt als Beispiel zu verwenden) Warum oder warum nicht?

Es würde wahrscheinlich gut funktionieren, aber warum sollte man sich mit "wahrscheinlich" befassen, wenn man die Gewinnchancen erhöhen kann, indem man eine Komponente platziert, die ein paar Cent kostet, in einigen Fällen sogar einen einzigen Cent?

So ziemlich jeder IC sollte einen Entkopplungskondensator haben. Wenn im Datenblatt nichts angegeben ist, bringen Sie mindestens eine 0,1-uF-Keramikkappe in der Nähe des Stromanschlusses des IC an, die für mindestens die doppelte Spannung ausgelegt ist, die Sie verwenden.

Viele Dinge erfordern mehr Kapazität am Eingang. Sie finden diese Empfehlungen häufig in Datenblättern, App-Notizen oder Evaluierungskitschemata.

Nehmen wir etwas von der Magie der Bypass-Kappen weg, indem wir das Schaltungsmodell verbessern. 7400 Familientore sehen so aus:

Dieses Tor, das als 3-in-1-Paket erhältlich ist, bietet hohen Antrieb (großes Fanout) und hohe Geschwindigkeit. In einer 74195 brauchen wir nicht das ganze Laufwerk. Wir brauchen Geschwindigkeit. Wir gehen von einem 2mA-Durchgang pro Gate aus (~ ~ 15 Gates pro FF)

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Wir müssen genügend Ladungen für 1 US-Dollar an beschäftigtem Takt speichern. WARUM? Warum 1uS verwenden? Denn große Kondensatoren und lange Drähte klingeln und stören den VDD am IC, sofern sie nicht gedämpft werden. Welche Ruffrequenz? 1uH und 1uF erzeugen 0,159 kHz. Wie zu dämpfen?

Verwenden Sie Q = 1 [definiert als Q = ZL / R = 2 (pi Rand L / R)] und Rand = 1/2 * pi Quadrat (L C), wir finden Rdampen = Quadrat (L / C). Für 1uH und 1uF benötigen Sie EIN OHM.

Betrachten Sie diese Schaltung für eine gute Kontrolle des VDD-Klingelns:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Was sagt der Signalketten-Explorer über diese 1-Ohm-Dämpfung?

Überraschung? Der Logikingenieur muss auch die VDD-Filterung und die VDD-Dämpfung DESIGNEN.

Um Ihre Frage kurz zu beantworten: DC durchläuft nicht den Kondensator, AC tut es. Das meiste Rauschen ist wechselstromgekoppeltes Rauschen oder / und hat Wechselstromcharakteristiken, dh Schalten von + - einigen Gleichstromwerten. Um diese Änderungen zu berücksichtigen, verwenden Sie einen DECOUPLING-Kondensator. Es werden einfach die AC-Signale kurzgeschlossen. Unter http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf finden Sie eine Fülle großartiger App-Hinweise, warum und wie sie funktionieren

Auch die Diskussion über Reservoir- / Glättungskondensatoren, die in diesem Thread angesprochen wird, verwirrt Neulinge in Bezug auf die Terminologie.
Das Glätten wird durchgeführt, um eine sehr konstante Spannung zu erzeugen. ZB sind die Ausgänge einiger Sensoren / Schaltkreise proportional zu ihrer Versorgungsspannung. Wellen im Angebot wirken sich direkt auf die Ausgabe aus.

Kondensator ist Speicherelement und spart Energie in Form von Ladung. Zurück zur Entkopplungskappe, wird sie auch als Bypass-Kondensator bezeichnet, da sie die Versorgungswelligkeit umgeht und diese geladene Kappe versucht, eine feste Gleichspannung am VDD-Pin aufrechtzuerhalten.

Sie werden benötigt, um die Impedanz des Stromversorgungssystems zu senken. Bei Hochfrequenzen weisen Stromversorgungen hauptsächlich aufgrund der Induktivität der Stromnetze eine nicht vernachlässigbare Reihenimpedanz auf. Sehen Sie sich den Abschnitt "Rail collapse in Power Integrity" des folgenden Artikels an, um die Idee besser zu verstehen: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/