Diferencia: ¿Filtro de paso bajo y condensador grande?

Question

Cuando se trabaja con microcontroladores se recomienda colocar condensadores de filtro/desacoplamiento entre una clavija de suministro y la tierra. Entiendo el propósito de esta implementación, a saber, que el voltaje a través de un condensador no puede cambiar instantáneamente, pero ¿cuáles son las diferencias sobresalientes entre un condensador singular y un filtro de paso bajo?

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

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

Por ejemplo, si quisiera proporcionar a mi voltaje de referencia ADC una fuente limpia con la que comparar los voltajes de entrada, podría realizar un filtro de paso bajo para rechazar las fluctuaciones de alta frecuencia o simplemente insertar un condensador de tamaño adecuado.

Mi pensamiento inmediato es que la demanda de corriente inicial de un condensador singular podría exceder momentáneamente la capacidad máxima de la MCU, pero con una resistencia esta corriente sería limitada. ¿No sería que con un LPF (con una resistencia) que uno podría potencialmente diseñar de tal manera que la impedancia de salida del filtro sea infinita como para no cargar el ADC? Del mismo modo, un condensador por sí solo proporcionaría un filtrado de tensión suficiente pero ¿no daría como resultado una baja impedancia de salida?

¿Cuáles son los pros y los contras de cada realización de filtrado, y cuándo debería un diseñador utilizar uno u otro?

¿Alguna otra idea?

Answer 1

La tapa cerca del pin de alimentación no es para proteger la pieza del ruido, sino para evitar que la pieza genere ruido cuando la conmutación lógica provoca cambios rápidos en la corriente de alimentación. Lo ideal sería que el tapón supliera las demandas instantáneas de más corriente sin aumentar la corriente hasta la fuente de alimentación.

La suma de las impedancias del lado de la fuente de alimentación del circuito -la impedancia interna de la fuente de alimentación más la inductancia, la resistencia y la capacitancia de las trazas o planos- es suficiente para obtener un filtrado de paso bajo en el lado de entrada de la tapa. Pienso en la tapa como una pequeña fuente de alimentación que puede responder a las demandas con un ancho de banda en el rango de varios MHz. Los reguladores más grandes que alimentan un circuito completo reaccionan con demasiada lentitud y la tapa es una fuente temporal de energía que sustituye o puentea (o desacopla) la fuente de alimentación. La colocación de la tapa cerca de la clavija de alimentación de un chip minimiza la resistencia y la inductancia que ralentizarían la respuesta.

Las piezas CMOS consumen la mayor parte de su energía mientras están en estado de conmutación. En el caso de los microprocesadores, esto se produce en los flancos del reloj y el consumo de corriente se produce en pequeños picos rápidos. El tamaño de los picos varía tan rápido como el reloj, ya que cada instrucción utiliza diferentes combinaciones de circuitos internos. Imagínese los circuitos utilizados para comprobar el cero de un registro frente a la obtención de datos de la RAM. La potencia necesaria fluctúa según la velocidad del reloj. Cuanto mayores sean los cambios de corriente, mayor será el tapón. Calcular el tamaño adecuado es una cuestión de estimación para la mayoría de nosotros y el tapón cerámico de 0,1uF es tan común que tiene un coste muy bajo. La construcción del condensador también es una preocupación, así como el cambio con la temperatura. Algunos pueden responder más rápido que otros y algunos varían en un 80% sobre el rango de temperatura comercial.

También se denominan tapones de derivación porque 1) Pueden "puentear" (acortar) el ruido de alta frecuencia de la PSU a tierra. 2) Pueden "puentear" la fuente de alimentación y responder a las demandas de energía de alta frecuencia.

También se denominan "tapones de desacoplamiento", un término más preciso para las altas frecuencias, ya que "desacoplan" la demanda de energía entre la pieza y la fuente de alimentación.

Answer 2

La respuesta corta:

Un condensador por sí solo es bueno para suministrar energía cuando el consumo de energía de la MCU cambia rápidamente. El filtro RC se utiliza para bloquear las señales de alta frecuencia no deseadas.

La respuesta larga:

Los dos circuitos diferentes se utilizan para fines distintos. Como has dicho, la tensión a través de un condensador no puede cambiar instantáneamente.

Estoy seguro de que sabes que

1. Una MCU requiere un voltaje mínimo para funcionar
2. Una MCU requiere una cantidad variable de energía durante su funcionamiento

Como la potencia es igual a la tensión * la corriente (P = VI) y la tensión debe ser constante, cualquier cambio en la potencia se manifiesta como un cambio en la corriente.

Para un diseño hipotético con un regulador de tensión y una MCU:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Digamos que eliminamos C2:

simular este circuito

(Perdón por la variación de los esquemas, no he creado una cuenta para ese sitio de esquemas y tengo que seguir redibujándolos)

Si el regulador de voltaje que suministra la energía a la MCU fuera perfecto y no hubiera inductancia parásita o resistencia de trazado, la MCU consumiría una cantidad variable de corriente y el regulador no bajaría o subiría su voltaje. Desafortunadamente, en el mundo real una placa de circuito se parece más a esto:

simular este circuito

(Nota rápida: en este contexto, un inductor puede considerarse una resistencia a alta frecuencia)

Debido a la inductancia parásita de la placa, la resistencia de la traza y el hecho de que los reguladores no pueden responder a los cambios de consumo de corriente de forma instantánea, el voltaje caerá y aumentará a medida que la MCU consuma más o menos corriente, respectivamente.

Como referencia, aquí hay un gráfico de una hoja de datos del LM7805

ST 7805

Esto muestra el tiempo de respuesta finito del voltaje de salida regulado del LM7805 (las caídas triangulares y los zumbidos en la línea inferior) a medida que la carga aumenta y disminuye. Si el regulador fuera perfecto, la "desviación de tensión" no subiría ni bajaría cuando hay un aumento o una disminución relativamente rápidos de la corriente.

Entiendo que los inductores pueden ser un poco confusos de usar al principio, así que en aras de la simplicidad puedes reemplazar el inductor en el esquema anterior con una resistencia y añadir las dos resistencias juntas y tienes una resistencia entre tu regulador y la MCU. Esto es malo porque V=IR y cuanta más corriente consuma el MCU, mayor será la caída de tensión a través de la resistencia. (Voy a explicar más acerca de lo que hace esta resistencia más adelante cuando hablo de los filtros RC.

Volviendo al diseño original. El condensador de derivación se coloca lo más cerca posible de la MCU para que todas las inductancias y resistencias que se encuentran en una placa de circuito y el hecho de que un regulador no pueda responder instantáneamente no afecten al nivel de tensión en la MCU.

Para su segundo circuito (RC)

simular este circuito

La razón por la que no se debe añadir una resistencia para puentear una MCU es porque el voltaje a través de una resistencia es relativo a la corriente que pasa por ella. Esto es importante porque si una MCU opera a 5V y consume 10mA en reposo (operando sin hacer nada) entonces hay una caída de voltaje a través de esa resistencia de:

R * 10mA = Vdrop

Así que si tuvieras una resistencia de 50 ohmios dejarías caer .5V, esto podría reiniciar tu MCU.

Un filtro de paso bajo, como el filtro RC que has dibujado, no sirve para suministrar energía, pero es útil para filtrar los componentes de alta frecuencia de una señal.

Esto es genial para las señales que están siendo leídas con un ADC porque un ADC sólo puede muestrear a una tasa específica, por lo que si una señal está cambiando a una tasa mayor que las señales de alta frecuencia (realmente 1/2 la tasa debido a la Teorema de Nyquist ) aparecerá como ruido aleatorio por lo que es bueno eliminarlo con un filtro RC.

Como ejemplo, digamos que tienes un ADC que muestrea a una velocidad de 10Khz

y quieres leer un sensor analógico que sólo cambia a una velocidad de 1KHz entonces puedes configurar tu filtro RC para filtrar las señales mayores de 5Khz (probablemente no quieras empezar a filtrar a 1Khz porque un filtro RC tiene una pequeña atenuación por debajo de la frecuencia a la que está diseñado para filtrar.

Así que para diseñar un filtro RC para lograr esto se puede utilizar una resistencia de:

330 Ohms y una capacitancia de .1uF

Aquí hay una gran calculadora si necesitas resolver esto para cualquier otra frecuencia:

Impresionante calculadora RC

Espero haber permanecido en el tema lo suficiente como para responder a su pregunta.

Answer 3

La diferencia es que al colocar sólo el condensador se depende tanto de la impedancia de la fuente de alimentación como de la impedancia de la alimentación del chip para formar el resto del filtro de paso bajo. Es decir, ambas instancias crean un LPF, la resistencia explícita es simplemente para sintonizarlo.

Answer 4

Tienes razón. Se trata de una técnica de desacoplamiento, y tenemos que seguir las sugerencias de los fabricantes. El desacoplamiento típico consiste en:

--> Un condensador electrolítico grande (10~100μF) a no más de 5cm de distancia del chip. El objetivo de este condensador es suministrar "localmente" las necesidades de corriente instantánea, evitando tomar esta potencia de la pista de alimentación principal y su impedancia. o Se trata de un condensador de baja ESR. --> Un condensador más pequeño (0,01 μF - 0,1 μF) más cerca de los pines de alimentación del CI como sea posible, para conducir los componentes HF fuera del CI. Ambos condensadores deben estar conectados a una gran zona de tierra en la PCB para una inductancia mínima. --> Una cama de ferrita en serie con el pin Vcc del CI, para reducir la EMI hacia y desde este CI.

Como puedes juzgar, las anteriores son técnicas generales para CI lineales y digitales. Pero el filtro RC que usted está dibujando, es dedicado para el desacoplamiento de IC digital. Los cambios en el estado de las compuertas digitales, hacen que el voltaje de la PS fluctúe debido a la impedancia de las trazas. El ruido de alta frecuencia puede ser minimizado usando topologías RC o LC. En el filtro LC, el ruido aparece a través de la bobina en lugar de en el chip o pasando por el circuito de alimentación. Proporciona un filtrado muy eficiente pero tiene una frecuencia de resonancia que puede irradiar EMI. Se puede utilizar un lecho de ferrita en lugar de un inductor.

El filtro RC que mencionas, convierte el ruido en calor y como tal se disipa. La desventaja es que la resistencia introduce una caída de tensión en la tensión suministrada. Por otro lado el filtro RC es menos costoso. A veces se puede encontrar una resistencia de alambre en lugar de un inductor.

Lo anterior es recomendado por Silicon Labs y Analog Devices

Answer 5

El filtro de paso bajo se utiliza para bloquear las señales de alta frecuencia y de ruido por encima de una frecuencia determinada. La resonancia se produce en esa frecuencia particular. Todas las señales por encima de la frecuencia de resonancia serán conectadas a tierra y sobre el condensador singulasr que usted describió mismo.

El filtro R-C se utiliza en lugar del filtro L-C por motivos económicos.