Casi todo el mundo recomienda 0,1uF para los condensadores de bypass. ¿Por qué este valor? Supongo que no hay nada malo en utilizar valores mayores, así que ¿es simplemente un "mínimo razonable"? Y si es así, ¿por qué la gente opta por el mínimo en lugar de utilizar valores más altos?
Los condensadores de mayor valor no serán tan eficaces para hacer frente a la corriente de alta frecuencia que consume el chip. A partir de cierta frecuencia, un condensador empieza a comportarse como un inductor. El valor en el que cambia su característica es la autorresonancia en serie del dispositivo: -
Por lo tanto, encontrarás que en los dispositivos de microondas los condensadores de 100pF también están presentes como desacoplamiento junto con los condensadores de masa. Este es un ejemplo de tres condensadores que desacoplan una FPGA
La curva negra es la impedancia compuesta de los tres condensadores utilizados. Tomado de aquí .
¿De dónde procede el valor de 0,1uF para los condensadores de derivación?
Es un buen compromiso entre la capacitancia a granel y la de alta frecuencia PERO si estás diseñando radios tu desacoplador por defecto puede ser de 10nF o 1nF (UHF). Si estás diseñando cosas digitales de muy alta velocidad también puedes usar 2 o 3 valores diferentes en paralelo como en la imagen de la FPGA de arriba.
¿Podría explicar por qué empiezan a comportarse como inductores? ¿Es porque a frecuencias más altas su impedancia disminuiría hasta que la inductancia en serie equivalente se hiciera cargo?
@Golaz - exactamente - mira el 2º gráfico de mi respuesta - muestra una representación precisa de tres condensadores y ten en cuenta que una pista de pcb puede tener una inductancia de 1nH por mm.
Fíjate bien en los picos antirresonantes de la curva negra del gráfico de Andy: son la razón por la que es mejor utilizar varios condensadores idénticos en paralelo que poner en paralelo condensadores de distinto valor. (Por supuesto, Ott lo explica bastante bien en Ingeniería de Compatibilidad Electromagnética...)
No todo el mundo recomienda 0,1uF como condensador de desacoplamiento, aunque es un buen punto de partida para el 74HC y la lógica de una sola puerta. Respuesta de Kevegaro aquí es una buena.
Por ejemplo, para las FPGAs de Xilinx hay una recomendación para los condensadores de derivación:
Recomiendan 33 condensadores de tres valores diferentes por dispositivo.
Además, esto me lleva a otra pregunta que tengo: ¿Por qué recomiendan usar varios valores diferentes? ¿Es porque es imposible acercar los condensadores de 100uF al dispositivo? Edición: No importa, la respuesta de Andy responde a esto.
La recomendación de impar con los tres valores -- tener un tapón de depósito por carril y luego al menos un 0,1uF por clavija de alimentación tendría más sentido que intentar economizar en tapones a costa de arriesgarse a un fallo debido a los picos antirresonantes, especialmente para un dispositivo programable en el que los relojes pueden ser bueno... ¡cualquier cosa!
La explicación de Andy es hermosa y profunda. Si le resulta difícil de entender, puede ayudarle a visualizar cómo funciona el desacoplamiento en términos sencillos. En tu mente imagina una vista en 3D de tu placa, tiene una carga (ICs, etc) y una fuente de alimentación. La carga puede "solicitar" repentinamente más corriente de la fuente de alimentación, pero la corriente de la fuente tarda en llegar a la carga a través de la distancia y la resistencia de la traza. También influye la resistencia integrada de la propia fuente o el tiempo que tarda una fuente de alimentación conmutada en detectar la nueva demanda de corriente y ajustarla (ancho de banda de la fuente). En resumen, una fuente de alimentación no suministra corriente instantáneamente, sino que tarda en hacerlo. Así que imagina que la carga envía un mensaje a la fuente de alimentación de que necesita más potencia y que la fuente de alimentación aumenta la corriente y la envía a lo largo de la ruta de entrega (traza o plano de potencia).
Como la carga está esperando a que llegue la corriente, no tiene más remedio que bajar la tensión para compensar la corriente "perdida". Tiene que obedecer la ley V=IR, la carga ha disminuido su resistencia (R) para "indicar" que necesita más potencia, no había más corriente disponible inmediatamente por lo que I permanece igual, por lo que V tiene que disminuir para compensar.
¿Cómo lo solucionamos? Ponemos pequeños condensadores cerca de la carga. Estos condensadores son pequeños "bancos de carga" de los que la carga puede retirarse rápidamente durante el exceso de demanda, más rápido que esperar a que la corriente salga del suministro. ¿Por qué es más rápido? Porque la distancia entre el condensador y la carga es más corta, y porque la resistencia integrada de un condensador es mucho menor que la de una fuente de alimentación. Si la "I" está disponible inmediatamente, la "V" no necesita compensar: todos están contentos.
Aunque son mucho más rápidos que las fuentes de alimentación, los condensadores también tardan en "descargarse" y proporcionar energía a la carga en proporción a su resistencia interna, que aumenta con la capacidad (faradios). En resumen, los condensadores más grandes tardan más en suministrar la corriente necesaria. Por lo tanto, hay que elegir un condensador de derivación que sea lo suficientemente rápido para responder a la carga, pero que también mantenga la carga suficiente para cubrir la demanda mientras la corriente de la fuente de alimentación viaja hacia la carga.
So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?Como se ha mencionado anteriormente, para la lógica común era un buen compromiso entre el tiempo de respuesta y los requisitos de capacidad de las tapas de derivación a las demandas de carga. Podrías sacar la calculadora y averiguar exactamente cuál es el mejor valor, pero también hay que tener en cuenta los costes de la lista de materiales. Si ajustas cada condensador de bypass a su carga, acabarás con muchas más partidas en tu lista de materiales y te saldrá muy caro. 0.1uF para la mayoría de los circuitos lógicos o para los circuitos de alta velocidad 0.01uF (100nF) es generalmente una buena opción. Ahorre dinero en su lista de materiales cuando pueda dentro de los límites de la aplicación.
Para las cargas que cambian con frecuencia la demanda de corriente (cargas de alta frecuencia) hay otras formas de sortear el problema del tiempo de respuesta frente a la capacidad de los condensadores de derivación. Se puede:
Esta es una visión simplificada de todo. Hay más factores, especialmente en los circuitos de alta velocidad. Pero si puedes imaginar los principios eléctricos básicos que entran en juego en tu circuito como un sistema dinámico de oferta y demanda, muchas de las "mejores prácticas" sobre las que leemos se convierten en sentido común. Una analogía más sencilla podría ser la cadena de suministro de Amazon. Su objetivo: suministrar artículos lo más rápido posible en cualquier lugar de Estados Unidos. Su solución, almacenes cerca de cada ciudad, menos tiempo de respuesta para sacar los artículos del almacén y ponerlos en el camión. Lo siguiente es la entrega con drones. Es una batalla logística entre la oferta y la demanda y el compromiso sobre el tiempo de respuesta y la capacidad frente al tamaño de cada nodo de distribución. y los costes.
Un vídeo muy bueno de EEVBlog sobre los factores de los condensadores en paralelo: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw
Sólo para seguir brevemente sus sugerencias: 1. es útil para reducir las necesidades de capacitancia del depósito, aunque no es lo suficientemente rápido como para hacer frente a los picos producidos por la mayoría de la conmutación digital, 2. es una muy buena, especialmente cuando se escala a 10 o 20 tapas para un dispositivo en lugar de 2 o 3 (para los chips grandes, mi regla general es 1 tapa de 100nF por pin de potencia), 3. es muy bueno debido a los picos antirresonantes que pueden crear picos de ruido en la placa (¡mira de nuevo el gráfico de Andy!). 3. no es tan buena debido a los picos antirresonantes que pueden crear picos de ruido en la placa (¡mira de nuevo el gráfico de Andy!), y 4. es una sugerencia sorprendentemente buena (busca la tecnología de "capacitancia enterrada" para un ejemplo excepcional)
Buena respuesta sencilla, aunque por la respuesta de Andy parece que en realidad es la inductancia el factor limitante, no la resistencia.
Sí, no he mencionado la inductancia en mi analogía, pero sin duda es importante. En realidad, debería usar la palabra impedancia en lugar de resistencia, ya que es un factor de la inductancia, la resistencia y la frecuencia... la resistencia suena más simple para la gente. La resistencia es la resistencia a 0Hz y la impedancia es la resistencia a una determinada frecuencia.
La recomendación de utilizar varios valores, como 100nF + 10µF, es de los años 90 y 80, cuando 100nF era el condensador cerámico más alto disponible con una respuesta de alta frecuencia decente. El condensador de 10µF sería un condensador electrolítico o de tantalio con un pobre comportamiento en alta frecuencia.
Hoy eso ha cambiado por completo. Ahora se pueden comprar fácilmente condensadores cerámicos de 10µF en encapsulados 0603 o incluso 0402. En el caso de los condensadores cerámicos, la respuesta a las altas frecuencias no tiene nada que ver con el valor del condensador y sí con el tamaño del encapsulado.
Con los condensadores modernos, normalmente no tiene sentido conectar un 100nF en paralelo con un 10µF.
En el diagrama siguiente se puede ver fácilmente que los condensadores cerámicos modernos de alto valor son tan buenos como los de bajo valor para las altas frecuencias, siempre que el tamaño del paquete sea el mismo. (Los pequeños saltos negativos son las frecuencias de resonancia. Usted no quiere depender de la frecuencia de resonancia para los condensadores de desacoplamiento, por lo que esas caídas deben ser ignorados)
(Fuente de la imagen: <a href="https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-speed-printed-circuit-board-layout.html" rel="nofollow noreferrer">Analog Dialogue Sep 2005 - Guía práctica para el diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad </a>)
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Aunque como se ha dicho se pueden comprar condensadores de mayor valor por el mismo valor, la respuesta en frecuencia del condensador de mayor valor es más estrecha que la de los condensadores de menor valor, véase electronics.stackexchange.com/questions/59325/