Ersetzen des Aluminiumkondensators durch einen Tantalkondensator für den Bypass des Beschleunigungsmessers

Ich arbeite derzeit an einem Design, das den AIS3624DQ-Beschleunigungsmesser von ST enthält. Im Datenblatt heißt es (Abschnitt 4, Seite 17):

"Entkopplungskondensatoren für die Stromversorgung (100 nF Keramik, 10 μF Aluminium) sollten so nahe wie möglich an Pin 14 des Geräts platziert werden (übliche Konstruktionspraxis)."

Kann ich stattdessen das 10μF Aluminium (aufgrund seiner Größe) durch einen Tantalkondensator ersetzen?

Sie können das Aluminium-Elektrolyt durch ein Tantal ersetzen, aber keines davon ist eine viel bessere Wahl.

Heutzutage kann Keramik die 10 µF bei 10 Volt problemlos abdecken. Es macht keinen Sinn, entweder ein Elektrolyt oder Tantal zu verwenden. Sie benötigen auch keinen separaten 100-nF-Kondensator (dieser Wert entspricht sowieso den 1980er Jahren), wenn Sie eine Keramik für den größeren Wert verwenden.

Denken Sie darüber nach, was hier vor sich geht und was das Datenblatt zu sagen versucht. Diese Geräte sind dafür bekannt, dass sie sehr empfindlich gegen Rauschen sind. Ich habe tatsächlich einen ähnlichen Teil verstärkt gesehenSpannungswelligkeit vom Netzteil zum Ausgang. Das Datenblatt fordert daher, dass Sie dem Gerät eine "große" Kapazität auf der Stromleitung hinzufügen. Von dort kamen die 10 µF. Damals, als dieses Datenblatt geschrieben wurde oder wer es schrieb, hielt mit den Entwicklungen Schritt, waren 10 µF eine unangemessen große Nachfrage nach einer Kondensatortechnologie, die bei hohen Frequenzen gut ist. Daher schlagen sie eine Elektrolyse für die 10 µF "Bulk" -Kapazität vor, aber platzieren Sie dann eine 100 nF Keramik darüber. Diese Keramik hat bei hohen Frequenzen eine niedrigere Impedanz als die Elektrolytkeramik, obwohl sie 100-mal weniger Kapazität hat.

Selbst in den letzten 15 bis 20 Jahren hätten diese 100 nF 1 µF betragen können, ohne belastend zu sein. Der übliche Wert von 100 nF stammt aus der Antike. Dies war der größte billige Keramikkondensator, der bei den für digitale Chips erforderlichen hohen Frequenzen immer noch wie ein Kondensator arbeitete. Wenn Sie sich Computerplatinen aus den 1970er Jahren ansehen, sehen Sie neben jedem der digitalen ICs einen 100-nF-Plattenkondensator.

Leider ist die Verwendung von 100 nF für den Hochfrequenz-Bypass zu einer Legende geworden. Die heutigen 1-µF-Mehrschichtkeramikkondensatoren sind jedoch billig und weisen tatsächlich bessere Eigenschaften auf als die alten verbleit 100-nF-Kappen des Pleistozäns. Betrachten Sie ein Diagramm der Impedanz gegenüber der Frequenz einer Familie von Keramikkappen, und Sie werden feststellen, dass 1 µF im Vergleich zu 100 nF fast überall eine niedrigere Impedanz aufweist. Es kann sein, dass der 100 nF in der Nähe seines Resonanzpunkts einen kleinen Abfall aufweist, wo er eine niedrigere Impedanz als der 1 µF aufweist, aber das ist klein und nicht sehr relevant.

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also, eine einzelne 10-µF-Keramik zu verwenden. Vergewissern Sie sich, dass die von Ihnen verwendete Netzspannung mindestens 10 µF beträgt. Einige Keramiktypen nehmen bei angelegter Spannung an Kapazität ab. Derzeit können Sie eine Keramik mit 15 oder 20 µF verwenden und haben auf der ganzen Linie bessere Eigenschaften als die im Datenblatt empfohlenen 100-nF-Keramik- und 10-µF-Elektrolyseprodukte.

Im Gegensatz zu Olin Lathrops Antwort sind Keramikkondensatoren nicht die Lösung für alle Bypass-Probleme auf Platinenebene. Es ist sogar möglich, dass die Auswahl nur von Keramikkondensatoren die Leistung einer Konstruktion beeinträchtigt.

Eine wichtige Tatsache bei bestimmten keramischen dielektrischen Formulierungen ist, dass sie ein piezoelektrisches Verhalten aufweisen: Sie können mechanische Energie in / aus elektrischer Energie umwandeln. Bei einem Beschleunigungsmesser kann dieses mikrofonische Verhalten 100-Hz-Schwingungen in die Stromversorgung des Geräts einkoppeln. Diese Schwingung liegt genau im interessierenden Frequenzband, da sie vom Beschleunigungsmesser gemessen wird und daher nicht digital herausgefiltert werden kann.

Keramikkondensatoren haben auch einen charakteristischen Kapazitätsverlust bei angelegter Gleichstromvorspannung. Zum Beispiel ist die Kurve der Kapazität gegenüber der Gleichstromvorspannung des Murata GRM188R61A106KAAL # Geräts:

Aus dem interaktiven Diagramm geht hervor, dass dieser spezifische Kondensator bei einem typischen 3,3 V-Betriebseingang nur eine effektive Kapazität von 5,337 uF aufweist, was einem Verlust von fast 50% der Nennkapazität bei weniger als der Hälfte der Nenngleichstromvorspannung entspricht. Während die Massenkapazität dieser Anwendung keinen bestimmten Wert erfordert, kann dies für Anwendungen mit einer Mindestkapazitätsanforderung ein "gotcha" sein.

Zusätzlich kann der ESR von Aluminiumelektrolyt- und Tantalkondensatoren vorteilhaft sein . Da dies den Kondensator verlustbehaftet macht, werden Schwingungen gedämpft und die Spitzen von Transienten können begrenzt werden. Linear Technology verfügt über einen Anwendungshinweis, der die Gefahren beschreibt, die bei der Verwendung von Keramikkondensatoren an Hot-Plug-Stromversorgungseingängen auftreten können. Darüber hinaus gelten für einige Netzteile die Anforderungen an die Ausgangs-Bypass-Kapazität (ESR), die in diesem TI-Anwendungshinweis erläutert werden . Um Keramikkondensatoren mit sehr niedrigem ESR zu verwenden, muss der niedrige ESR-Wert überwunden werden, indem ein 10-Ohm-Widerstand in Reihe mit dem Kondensator installiert wird.

Der Aluminiumkondensator scheint ein Bulk-Bypass- Gerät zu sein.

Tantale haben normalerweise eine niedrigere ESR als Aluminiumbauteile, aber das sollte hier nicht von Bedeutung sein, da das Keramikbauteil sowieso eine niedrige ESR haben wird.

Sie sollten also ein Tantal-Gerät anstelle des Aluminium-Elektrolyts verwenden.

Stellen Sie sicher, dass Sie ein Gerät mit einer Nennspannung von mindestens 2 Vcc verwenden.

Es gibt bereits einige gute Antworten (verwenden Sie einfach MLCC), aber ich möchte hinzufügen, dass Sie für die Hochfrequenzentkopplung eng gekoppelte (dh keinen Kern zwischen) Schichten von Versorgungsspannung und Masse verwenden sollten. Stellen Sie den Überlappungsbereich so groß wie möglich ein und platzieren Sie mehrere Durchkontaktierungen so nahe wie möglich an den IC-Versorgungs- / Erdungsstiften. Dies ist der beste Weg, um eine wirklich hochfrequente Entkopplung zu erzielen. Stellen Sie dann Ihre MLCC-Kondensatoren so nahe wie möglich an diesen Durchkontaktierungen auf. Vermeiden Sie mehrere Kondensatorwerte und verwenden Sie lieber mehrere identische Kondensatoren, wenn einer nicht ausreicht. Das Risiko, beispielsweise 10n, 100n, 1u parallel zu verwenden, sind Resonanzimpedanzspitzen.

Auf diese Weise erhalten Sie die niedrigste Gesamtimpedanz für Ihre Entkopplung.

Sie sollten auch Ferritperlen für digitale ICs vermeiden, aber dies ist natürlich in den obigen Ausführungen impliziert.