Brauchen Chips wirklich mehrere Werte des Entkopplungskondensators in denselben Paketen?

Eine ähnliche Frage wird hier gestellt: "Zwei Bypass- / Entkopplungskondensatoren" -Regel? Bei dieser Frage ging es jedoch um parallele Bypass-Kondensatoren ohne Angabe der Gehäusegröße (die Antworten gingen jedoch meist von parallelen Teilen mit unterschiedlichen Gehäusegrößen aus), während es sich speziell um parallele Bypass-Kondensatoren mit der gleichen Gehäusegröße handelt.

Ich habe kürzlich einen Kurs über digitales Hochgeschwindigkeitsdesign besucht, in dem der Dozent ausführlich erklärte, dass die Leistung eines Kondensators zur Entkopplung fast ausschließlich durch seine Induktivität begrenzt ist, was wiederum fast ausschließlich auf seine Größe und Platzierung zurückzuführen ist.

Seine Erklärung scheint mit den Ratschlägen in vielen Datenblättern zu kollidieren, die mehrere Werte für die Entkopplung des Kondensators nahe legen, obwohl sie die gleiche Gehäusegröße haben.

Ich glaube, seine Empfehlung wäre: Wählen Sie für jede Packungsgröße die höchstmögliche Kapazität und platzieren Sie sie so nah wie möglich, wobei kleinere Packungen am nächsten kommen.

In einem Schema von Lattice Semiconductor schlagen sie beispielsweise Folgendes vor:

• 470pF 0201
• 10nF 0201
• 1uf 0306

F1 : Hilft dieser 470pF-Kondensator wirklich?

F2: Wäre es nicht sinnvoll, alle drei in einem 0201-Gehäuse durch einen einzigen 1-uF-Kondensator zu ersetzen?

F3: Wenn Leute sagen, dass ein Kondensator mit höherem Wert bei höheren Frequenzen weniger nützlich ist, wie viel davon ist auf die Kapazität zurückzuführen und wie viel auf die größere Packungsgröße, die normalerweise mit größeren Kappen verbunden ist?

Dies ist eine Frage, die ich mich von Zeit zu Zeit gefragt habe und die ich noch nicht beantwortet habe. Ich habe mit LTSpice eine Simulation durchgeführt, um eine Antwort zu erhalten. Ich habe zufällig einige Kondensatoren von Murata ausgewählt: 4,7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html und 100nF https://psearch.en.murata.com/ Kondensator / Produkt / GRM152B31A104KE19% 23.html

Ich habe den ESL für beide Caps auf 300p und den ESR für 100 nF bis 30m und für 4,7 µF bis 8m eingestellt. Mit diesen Werten scheint ihre Impedanz ziemlich gut mit der in den Murata-Diagrammen übereinzustimmen. (Um genau zu sein, ist die ESL nicht genau gleich, aber nahe genug, sodass ich den gleichen Wert verwenden werde.)

Ich simulierte mit nur 4,7 uF, 4,7 uF + 100 nF und 2 x 4,7 uF. Ich habe 1 nH Induktivität zwischen den Kondensatoren hinzugefügt, um die Spur zu simulieren, die sie verbindet.

Die Ergebnisse sind interessant, aber nicht sehr unerwartet. Das Hinzufügen von 100 nF erhöht die Filterung, mit Ausnahme der Antiresonanzfrequenz. Das Hinzufügen von weiteren 4,7 µF hat den gleichen Effekt, außer dass keine Antiresonanz vorliegt. Der 100 nF arbeitet bei seiner Eigenresonanzfrequenz besser, aber sein Effekt ist geringer als die verlorene Filterleistung der Antiresonanz. Auf dieser Basis würde ich einfach mehr größere Kondensatoren hinzufügen.

Wenn Sie jedoch z. B. ein Rauschproblem bei 30 MHz hatten, ist es sinnvoll, diesen 100-nF-Kondensator hinzuzufügen, da er diese Frequenz gut filtert.

F1: Hilft dieser 470pF-Kondensator wirklich?

Bei seiner Resonanzfrequenz ist es. Wenn es bei dieser Frequenz kein Rauschen gibt, dann nicht so viel.

F2: Wäre es nicht sinnvoll, alle drei in einem 0201-Gehäuse durch einen einzigen 1-uF-Kondensator zu ersetzen?

Wäre wahrscheinlich besser, zwei 1 µF 0201-Kondensatoren hinzuzufügen. Wenn Sie dann bei einer bestimmten Frequenz auf Probleme stoßen, können Sie einen dieser Kondensatoren gegen einen Kondensator mit SRF bei dieser Frequenz austauschen. Sie können auch den anderen nicht zusammengebaut lassen, aber Kondensatoren sind billig, warum also die Mühe machen.

F3: Wenn Leute sagen, dass ein Kondensator mit höherem Wert bei höheren Frequenzen weniger nützlich ist, wie viel davon ist auf die Kapazität zurückzuführen und wie viel auf die größere Packungsgröße, die normalerweise mit größeren Kappen verbunden ist?

Ziemlich viel ist über die Packungsgröße. Natürlich hilft die höhere SRF wieder, aber nur, wenn Sie bei dieser Frequenz Rauschen haben. Ansonsten ist es einfach besser, die größte Kapazität zu verdoppeln.

Die Antwort ist einfach:

• Es gibt keine dielektrischen Kondensatoren mit 10 nF NP0 in Größe 0201.

Die maximale Kapazität für diese beträgt ca. 1nF. Entweder benötigen Sie ein größeres Paket oder Sie müssen sich an das X7R-Dielektrikum halten, das sich bei> 10 MHz nicht so gut verhält.

Lesen Sie die doppelte Antwort für die gesamte Theorie, aber hier ist eine gute Faustregel:

Die Kondensatoren mit dem größeren Wert sind bei höheren Frequenzen weniger effektiv und natürlich werden die Kondensatoren mit dem kleineren Wert bei einer niedrigeren Frequenz nicht effektiv sein.

Die verschiedenen Kondensatoren stellen daher jeweils eine Stabilisierung für ein anderes Frequenzband bereit. Abhängig von Ihrer Anwendung und der Stärke des Rauschens, das bei verschiedenen Frequenzen erzeugt wird, müssen Sie Kondensatoren mit bestimmten Werten anwenden, um den Leistungsbus zu stabilisieren.

Eine allgemeine Regel ist mindestens 1-10uF plus 100nF, aber das obige Beispiel sieht für eine Schaltung mit einer hohen Taktgeschwindigkeit ganz gut aus. Für Audioanwendungen möchten Sie etwas Ähnliches, aber mit viel höherem Wert, um die Anforderungen an den Leistungsbus mit Musikfrequenzen zu unterstützen.

Q1: Ja, es eliminiert hochfrequente Schwingungen und Geräusche. F2: Nein, möglicherweise liegt ein Problem mit dem Hochfrequenzrauschen vor.

PS: Die kleinen Kondensatoren sollten möglichst nahe an den IC-Pins platziert werden, um die Induktivität zwischen den Kondensator-Pins und den IC-Pins zu minimieren. Die höherwertigen Kondensatoren können bei Bedarf weiter entfernt platziert werden.

Wenn zwei verschiedene Kondensatortypen parallel geschaltet werden, z. B. ein Elektrolytkondensator und ein Keramikkondensator, wird eine niedrige Impedanz über einen viel breiteren Frequenzbereich bereitgestellt.

Elektrolyte weisen eine signifikante Induktivität auf. Ihre Impedanz bei hohen Frequenzen reicht oft nicht aus, um einen Chip zu umgehen. Ein Keramikkondensator im Bereich von etwa 0,01 bis 0,1 uF hat typischerweise eine niedrige Impedanz im Bereich von einigen zehn Megahertz.

Ich benutze Operationsverstärker in linearen Schaltkreisen. Operationsverstärker oszillieren und / oder zeigen ein sehr schlechtes Einschwingverhalten, wenn sie nicht ordnungsgemäß umgangen werden. Ich löte einen Keramikkondensator mit 0,1 uF / 50 V direkt auf die Stromversorgungsleitungen des Chips auf der Unterseite der Platine. Der Elektrolytkondensator wird gemäß den an den Chip gestellten Belastungsanforderungen ausgewählt. 1 bis 100 uF sind üblich. Der Elektrolyt sollte so nah wie möglich am Chip sein, aber normalerweise sind 20-30 mm akzeptabel, falls erforderlich.