Unterschied: Tiefpassfilter und Großkondensator?

Bei der Arbeit mit Mikrocontrollern wird empfohlen, Filter- / Entkopplungskondensatoren zwischen einem Versorgungsstift und Masse zu platzieren. Ich verstehe den Zweck dieser Implementierung, nämlich dass sich die Spannung an einem Kondensator nicht sofort ändern kann, aber was sind die herausragenden Unterschiede zwischen einem singulären Kondensator und einem Tiefpassfilter?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

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

Wenn ich beispielsweise meiner ADC-Referenzspannung eine saubere Versorgung zum Vergleichen der Eingangsspannungen zur Verfügung stellen möchte, könnte ich entweder ein Tiefpassfilter zur Unterdrückung der Hochfrequenzschwankungen realisieren oder einfach einen Kondensator mit angemessener Größe einsetzen.

Mein unmittelbarer Gedanke ist, dass der anfängliche Strombedarf eines einzelnen Kondensators vorübergehend die maximale Nennleistung der MCU überschreiten könnte, aber mit einem Widerstand wäre dieser Strom begrenzt. Wäre es nicht so, dass man mit einem LPF (mit einem Widerstand) möglicherweise so gestalten könnte, dass die Ausgangsimpedanz des Filters unendlich ist, um den ADC nicht zu laden? In ähnlicher Weise würde ein Kondensator allein eine ausreichende Spannungsfilterung bereitstellen, aber würde dies nicht zu einer niedrigen Ausgangsimpedanz führen?

Was sind die Vor- und Nachteile jeder Filterrealisierung und wann sollte ein Designer die eine oder andere verwenden?

Irgendwelche anderen Gedanken?

Die Kappe in der Nähe des Stromanschlusses dient nicht dazu, das Teil vor Rauschen zu schützen, sondern verhindert, dass das Teil Rauschen erzeugt, da das logische Schalten schnelle Änderungen des Versorgungsstroms verursacht. Im Idealfall würde die Kappe sofort mehr Strom benötigen, ohne den Strom bis zur Stromquelle zu erhöhen.

Die Summe der Impedanzen auf der Netzteilseite der Schaltung - die interne Impedanz des Netzteils plus Induktivität, Widerstand und Kapazität der Leiterbahnen oder Ebenen - reicht aus, um auf der Eingangsseite der Kappe eine Tiefpassfilterung zu erzielen. Ich stelle mir die Kappe als winziges Netzteil vor, das mit einer Bandbreite im Multi-MHz-Bereich auf Anforderungen reagieren kann. Die größeren Regler, die einen vollen Stromkreis versorgen, reagieren viel zu langsam und die Kappe ist eine vorübergehende Stromquelle, die das Netzteil ersetzt oder umgeht (oder entkoppelt). Durch Platzieren der Kappe nahe dem Stromanschluss auf einem Chip werden Widerstand und Induktivität minimiert, die die Reaktion verlangsamen würden.

CMOS-Teile verbrauchen beim Schalten den größten Teil ihrer Leistung. Für Mikroprozessoren bedeutet dies an Taktflanken und die Stromaufnahme ist in kleinen schnellen Spitzen. Die Größe der Spitzen variiert so schnell wie der Takt, da jeder Befehl unterschiedliche Kombinationen interner Schaltkreise verwendet. Stellen Sie sich die Schaltung vor, die zum Überprüfen eines Registers auf Null verwendet wird, anstatt Daten aus dem RAM abzurufen. Die benötigte Leistung schwankt mit der Taktrate. Je größer die Stromänderungen sind, desto größer ist die Kappe. Die Berechnung der richtigen Größe ist für die meisten von uns eine Frage der Schätzung, und die 0,1 uF-Keramikkappe ist so häufig, dass sie sehr kostengünstig ist. Die Kondensatorkonstruktion ist ebenso ein Problem wie die Änderung der Temperatur. Einige können schneller reagieren als andere, andere variieren im kommerziellen Temperaturbereich um 80%.

Sie werden auch als Bypass-Kappen bezeichnet, weil: 1) Sie (kurzes) Hochfrequenz-Netzteilrauschen gegen Masse "umgehen" können. 2) Sie können das Netzteil "umgehen" und auf hochfrequente Leistungsanforderungen reagieren.

Wird auch als "Entkopplungskappen" bezeichnet, ein genauerer Begriff für hohe Frequenzen, da sie den Leistungsbedarf zwischen dem Teil und dem Netzteil "entkoppeln".

Die kurze Antwort:

Ein Kondensator allein ist gut für die Stromversorgung, wenn sich die Stromaufnahme der MCU schnell ändert. Das RC-Filter wird verwendet, um unerwünschte Hochfrequenzsignale zu blockieren.

Die lange Antwort:

Die zwei verschiedenen Schaltungen werden für verschiedene Zwecke verwendet. Wie Sie angegeben haben, kann sich die Spannung an einem Kondensator nicht sofort ändern.

Ich bin sicher, dass du das weißt

1. Eine MCU benötigt zum Betrieb eine Mindestspannung
2. Eine MCU benötigt während des Betriebs eine unterschiedliche Energiemenge

Da Leistung gleich Spannung * Strom (P = VI) ist und Spannung konstant sein muss, manifestiert sich jede Änderung der Leistung als Änderung des Stroms.

Für ein hypothetisches Design mit einem Spannungsregler und einer MCU:

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

Angenommen, wir entfernen C2:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

(Entschuldigung für die unterschiedlichen Schaltpläne. Ich habe kein Konto für diese Schaltplanseite eingerichtet und muss sie weiter neu zeichnen.)

Wenn der Spannungsregler, der die MCU mit Strom versorgt, perfekt wäre und es keine parasitäre Induktivität oder keinen Spurenwiderstand gäbe, würde die MCU eine unterschiedliche Strommenge ziehen und der Regler würde die Spannung nicht senken oder erhöhen. Leider sieht eine Leiterplatte in der realen Welt eher so aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

(Kurzer Hinweis: In diesem Zusammenhang kann ein Induktor als Widerstand mit hoher Frequenz betrachtet werden.)

Aufgrund der parasitären Induktivität von der Platine, des Spurwiderstands und der Tatsache, dass die Regler nicht sofort auf Stromverbrauchsänderungen reagieren können, fällt die Spannung ab und steigt an, wenn die MCU mehr bzw. weniger Strom zieht.

Als Referenz dient hier ein Diagramm aus einem LM7805-Datenblatt

ST 7805

Dies zeigt die endliche Reaktionszeit der geregelten Ausgangsspannung LM7805 (das Dreieck sinkt und Buckel in der unteren Zeile), wenn die Last zunimmt und abnimmt. Wenn der Regler perfekt wäre, würde die 'Spannungsabweichung' bei einem relativ schnellen Anstieg oder Abfall des Stroms nicht steigen oder fallen.

Ich verstehe, dass die Verwendung von Induktivitäten zunächst etwas verwirrend sein kann. Der Einfachheit halber können Sie den Induktor im obigen Schema durch einen Widerstand ersetzen und die beiden Widerstände addieren, und Sie haben einen Widerstand zwischen Ihrem Regler und der MCU. Dies ist schlecht, da V = IR und je mehr Strom die MCU zieht, desto mehr Spannungsabfall wird über dem Widerstand sichtbar. (Ich werde weiter unten erklären, was dieser Widerstand tut, wenn ich über RC-Filter spreche.

Zurück zum ursprünglichen Design. Der Bypass-Kondensator wird so nahe wie möglich an der MCU angebracht, sodass alle auf einer Leiterplatte vorhandenen Induktivitäten und Widerstände und die Tatsache, dass ein Regler nicht sofort reagieren kann, den Spannungspegel an der MCU nicht beeinflussen.

Für Ihre zweite (RC) Schaltung

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Der Grund, warum ein Widerstand nicht hinzugefügt werden sollte, um eine MCU zu umgehen, liegt darin, dass die Spannung an einem Widerstand relativ zu dem Strom ist, der über ihn gezogen wird. Dies ist wichtig, da, wenn eine MCU mit 5 V arbeitet und 10 mA im Ruhezustand verbraucht (ohne etwas zu tun), ein Spannungsabfall an diesem Widerstand auftritt von:

R * 10 mA = Vdrop

Wenn Sie also einen Widerstand von 50 Ohm hätten, würden Sie 0,5 V abfallen, dies könnte Ihre MCU zurücksetzen.

Ein Tiefpassfilter wie das RC-Filter, das Sie dort erstellt haben, ist nicht gut für die Stromversorgung, aber nützlich, um Hochfrequenzkomponenten eines Signals herauszufiltern.

Dies ist ideal für Signale, die mit einem ADC gelesen werden, da ein ADC nur mit einer bestimmten Rate abtasten kann. Wenn sich also ein Signal mit einer Rate ändert, die größer ist als die Hochfrequenzsignale (tatsächlich die Hälfte der Rate aufgrund des Nyquist-Theorems) ) wird als zufälliges Rauschen angezeigt, daher ist es gut, es mit einem RC-Filter zu entfernen.

Angenommen, Sie haben einen ADC, der mit einer Rate von 10 kHz abtastet

Wenn Sie einen analogen Sensor lesen möchten, der sich nur mit einer Frequenz von 1 kHz ändert, können Sie Ihren RC-Filter so einstellen, dass Signale mit mehr als 5 kHz herausgefiltert werden (Sie möchten wahrscheinlich nicht mit 1 kHz filtern, da ein RC-Filter einen kleinen hat Dämpfungsgrad unterhalb der Frequenz, mit der gefiltert werden soll.

Um einen RC-Filter zu entwerfen, um dies zu erreichen, können Sie einen Widerstand verwenden von:

330 Ohm und eine Kapazität von 0,1 uF

Hier ist ein großartiger Taschenrechner, wenn Sie dies für andere Frequenzen lösen müssen:

Genialer RC-Rechner

Ich hoffe, ich bin genug beim Thema geblieben, um Ihre Frage zu beantworten.

Der Unterschied besteht darin, dass das Platzieren nur des Kondensators sowohl von der Stromversorgungsimpedanz als auch von der Chipversorgungsimpedanz abhängt, um den Rest des Tiefpassfilters zu bilden. Das heißt, beide Instanzen erzeugen einen LPF, der explizite Widerstand dient lediglich zum Einstellen.

Du hast recht. Dies ist eine Entkopplungstechnik, und wir müssen den Vorschlägen der Hersteller folgen. Typische Entkopplung besteht aus:

-> Ein großer Elektrolytkondensator (10 ~ 100μF), nicht mehr als 5 cm vom Chip entfernt. Ziel dieses Kondensators ist es, den momentanen Strombedarf „lokal“ zu liefern und zu vermeiden, dass diese Leistung aus der Hauptstromspur und ihrer Impedanz entnommen wird. o Dies ist ein Kondensator mit niedrigem ESR. -> Ein kleinerer Kondensator (0,01 μF - 0,1 μF), der möglichst nahe an den Leistungsstiften des IC liegt, um HF-Komponenten aus dem IC zu treiben. Beide Kondensatoren sollten für eine minimale Induktivität an eine großflächige Masse auf der Leiterplatte angeschlossen werden. -> Ein Ferritbett in Reihe mit dem Vcc-Stift des IC, um die EMI zu und von diesem IC zu reduzieren.

Wie Sie beurteilen können, handelt es sich bei den oben genannten um allgemeine Techniken für lineare und digitale ICs. Aber der RC-Filter, den Sie zeichnen, ist für die digitale IC-Entkopplung vorgesehen. Die Änderungen im Zustand der digitalen Gates führen dazu, dass eine PS-Spannung aufgrund der Impedanz der Spuren schwankt. Das Hochfrequenzrauschen kann mithilfe von RC- oder LC-Topologien minimiert werden. Im LC-Filter tritt Rauschen eher über der Spule als im Chip oder im Stromversorgungskreis auf. Es bietet eine sehr effiziente Filterung, hat jedoch eine Resonanzfrequenz, die EMI ausstrahlen kann. Anstelle eines Induktors kann ein Ferritbett verwendet werden.

Der von Ihnen erwähnte RC-Filter wandelt Rauschen in Wärme um und wird als solches abgeführt. Der Nachteil ist, dass der Widerstand einen Spannungsabfall in die zugeführte Spannung einführt. Auf der anderen Seite ist RC-Filter weniger teuer. Manchmal finden Sie einen Drahtwiderstand anstelle eines Induktors

Die oben genannten werden von Silicon Labs und Analog Devices empfohlen

Das Tiefpassfilter wird zum Blockieren von Hochfrequenz- und Rauschsignalen oberhalb einer bestimmten Frequenz verwendet. Resonanz tritt bei dieser bestimmten Frequenz auf. Alle Signale oberhalb der Resonanzfrequenz werden geerdet und über den von Ihnen beschriebenen Singulasr-Kondensator gleich.

Das RC-Filter wird aus wirtschaftlichen Gründen anstelle des LC-Filters verwendet.