Що таке роз'єднувальний конденсатор і як мені знати, чи потрібен він?

Що таке конденсатор роз'єднання (або згладжуючий конденсатор, як зазначено у посиланні нижче)?

Як дізнатись, чи потрібен він мені, і якщо так, то який розмір і куди він повинен їхати?

Це запитання згадує багато чіпів, які потребують одного між VCC та GND; як я можу дізнатися, чи є певний чіп?

Чи потрібен буде 4-бітовий регістр зсуву паралельного доступу SN74195N, який використовується з Arduino? (Використовувати мій поточний проект як приклад) Чому чи чому ні?

Я відчуваю, що я починаю розуміти основи резисторів та місця, в яких вони використовуються, які значення слід використовувати у зазначених місцях тощо, і я хотів би зрозуміти конденсатори також на базовому рівні.

Мені було це питання. Ось моє рудиментарне розуміння:

Ви підключаєте конденсатори через $V_{CC}$ / GND, щоб намагатися підтримувати напругу більш постійною. У ланцюзі постійного струму конденсатор виконує функцію відкритого контуру, тому немає проблем з його замиканням. Коли ваш пристрій увімкнено ( $V_{CC}$ = 5V), конденсатор заряджається до ємності і чекає, поки зміниться напруга між $V_{CC}$ і GND ( $V_{CC}$ = 4,5V). У цей момент конденсатор розрядиться, щоб спробувати повернути напругу до рівня заряду всередині конденсатора (5В). Це називається "згладжування" (або принаймні так я його називаю), оскільки зміна напруги буде менш вираженою.

$V_{CC}$$V_{CC}$

Щодо того, для чого вони вам потрібні, вони дуже важливі у високошвидкісних цифрових та аналогових схемах. Я не уявляю, що вам знадобиться його для SN74195, але це не може зашкодити!

Блоки живлення повільні ... вони реагують приблизно на 10 нас (тобто пропускну здатність до 100 кГц). Отже, коли ваш великий, поганий, МГц мікроконтролер перемикає купу виходів з високого на низький, він буде черпати від джерела живлення, внаслідок чого напруга починає опускатися, поки не зрозуміє (10 нас пізніше!), Що їй потрібно щось робити для виправлення напруги, що опускається.

Для компенсації повільних джерел живлення ми використовуємо конденсатори роз'єднання. Роз'єднані конденсатори додають швидке «зберігання заряду» біля ІМС. Отже, коли ваш мікроперемикач виводить, замість того, щоб черпати заряд від джерела живлення, він спочатку буде черпати з конденсаторів. Це дозволить придбати джерело живлення деякий час, щоб підлаштовуватися під мінливі потреби.

"Швидкість" конденсаторів змінюється. В основному, менші конденсатори швидше; індуктивність, як правило, є обмежуючим фактором, тому всі рекомендують ставити кришки якомога ближче до VCC / GND з найкоротшими, найширшими відводами, які є практичними. Тому виберіть найбільшу ємність в найменшій упаковці, і вони забезпечать максимально швидку зарядку.

Зазвичай його називають "байпасним ковпаком", тому що високочастотний шум обходить ІС і перетікає безпосередньо на землю, або " кришка роз'єднання ", тому що це перешкоджає поточному витягу одного ІМС зв'язатись з джерелом живлення іншого СК.

"як я можу дізнатися, чи є певний чіп?"

Просто припустимо, що вони все роблять. :) Якщо мікросхема перериває струм, це призведе до того, що напруга живлення буде переривчасто. Якщо інша мікросхема знаходиться внизу за течією, вона побачить шум на її силових штирях. Якщо це досить погано, це може спричинити помилки або шум чи що завгодно. Тож зазвичай ми ставимо обхідні ковпачки на все, "вище за течію" від ІС. (Так, орієнтація слідів і розташування компонентів має значення, оскільки мідь не є ідеальним провідником.)

Для зменшення зміни напруги живлення використовується конденсатор, що розгладжується (він же відокремлений конденсатор ) . Коли ви проводите великі струми від джерела живлення (наприклад, коли стан цифрової логіки перемикається), ви побачите зміну напруги живлення. Комутація намагається вивести великі миттєві струми і виробляє падіння напруги через опір джерела напруги та зв’язок між джерелом напруги та ІМС. Роз'єднаний конденсатор допоможе підтримувати (або згладжувати) напругу живлення на пристрої. Якщо розмістити цей накопичувальний елемент поблизу ІМС, зменшується зміна напруги в ІМС.

Якщо ви не вимірюєте напругу живлення на кожному ІМС, коли ІС черпає свої максимальні струми комутації, важко сказати, наскільки ефективним буде конденсатор. Для більшості цифрових пристроїв рекомендація - це керамічна кераміка, що знаходиться дуже близько до пристрою. Оскільки конденсатори невеликі і недорогі, більшість дизайнерів просто додадуть конденсатори. Іноді, якщо у мене є два логічні пристрої, які дуже близькі, ви, можливо, зможете орієнтувати один конденсатор між двома ІС. Зазвичай це не так.

ІМ-блоки живлення мають більші вимоги до конденсаторів, що згладжуються, оскільки струми струму більше. Для цих пристроїв потрібно уважно ознайомитися з вимогами пульсацій програми, щоб визначити відповідний конденсатор фільтрації.

Просто, щоб додати більше про викиди ЕМ.

Більшість компаній рекомендують ковпачки потужністю 0,1 мкФ при кожному вході живлення. Пам'ятайте, що це лише мінімальний мінімум, необхідний для уникнення перепадів напруги, які можуть призвести до роботи. Якщо ви будуєте плату друкованої плати, яка повинна пройти частину FCC FC 15 для викидів, вам потрібно піти далі.

Зрештою, вам потрібно обчислити всю ємність, необхідну для площини живлення, виходячи з конструкції друкованої плати та енергоспоживання. Загальне правило, яке я використовую як вихідне місце, - це один талатумний ковпачок 10uF на основний ІС (мікроконтролер, АЦП, ЦАП і т. Д.), А потім ковпачок 0,1uF та 10nF на кожному штирі живлення на кожному ІС. Ковпачки 10nF повинні бути невеликими - переважно 0402 або максимум розміром 0603 - щоб уникнути індуктивності свинцю з упаковки, що зводить нанівець дію конденсатора.

Я настійно рекомендую цю книгу, якщо ви плануєте вступити у високошвидкісний цифровий дизайн, який має високу швидкість, що означає щось понад 1 МГц.

Питань, пов’язаних з розв'язкою, схоже, виникає останнім часом. Тут я дав детальну відповідь: Розв’язка кришок, компонування друкованої плати

Це говорить про проблеми розв’язки та компонування. Згладжування живлення - це зовсім інша справа. Це, як правило, вимагає більших ковпачків, які повинні вміти зберігати розумну кількість енергії, оскільки частота пульсацій живлення набагато нижча, ніж призначені для обробки кришки роз'єднання частот.

Я хотів би наголосити на одному із пунктів jluciani. Дуже важливо поставити конденсатор якомога ближче до вхідної потужності мікросхем. Це може допомогти усунути будь-який шум, що подається будь-де, будь-де, у вашій схемі, від джерела живлення, або навіть якийсь шум, що випромінюється від джерела, що виходить з вашої плати.

jluciani вірно, що 0,1uF дуже поширений для розміщення поруч із ІС. Просто подумайте про ємність як про те, скільки заряду конденсатор може утримувати, тому чим більше ємність, тим більше заряду він утримує. Якщо паралельно поставити конденсатори, ви додасте більше ємності, що призведе до підвищення ефективної ємності.

Що стосується вашого питання про те, чи потрібен цей чіп чи ні, я б сказав, це не завадило б. Лист даних зазвичай визначає, чи потрібен чіп для роз'єднання (він же згладжування) конденсаторів, і якщо так, яке рекомендоване значення.

Просто додати кілька балів до інших відповідей:

Для вимірювання впливу струмів струму на напругу живлення вам знадобиться швидкий осцилограф. Це залежить від швидкості ланцюга, але я думаю, вам знадобиться пропускна здатність від 200 МГц до 1 ГГц.

Крім того, якщо ланцюг живлення, що має струми, є великою, то це може спричинити радіовипромінювання, яке нахмуриться з різних технічних та юридичних причин. Обхідний конденсатор діє як ярлик для цих шипів, тому викидів набагато менше.

Обхідні ковпачки досить дешеві, що в багатьох випадках немає причин не ставити їх скрізь. Якщо простір або вартість є надзвичайними питаннями, можливо, розумно залишити їх кілька. Ключовим є визнання того, що може статися, якщо вони припиняться. Моя пропозиція буде припускати найгірший сценарій, якщо вони припиняються: (1) радіочастотне випромінювання на вхідній частоті комутації може бути збільшене, і (2) будь-який час, коли вхід перемикається, припустимо, що виходи пристрою та внутрішній стан можуть бути довільно глюкованими. Якщо будь-яке з цих способів поведінки буде проблемою, необхідні обхідні обмеження. Якщо жодна з них не буде проблемою (наприклад, жоден з входів не перемикається досить часто, щоб радіація була проблемою, пристрій не має внутрішнього стану,

У загальному випадку деякі або багато ІМС, транзистори або клапани (трубки) будуть підключені до одного і того ж джерела живлення. Оскільки пристрій в цих ситуаціях працює, він виводить різну кількість струму з джерела живлення відповідно до сигналу, що проходить через нього. Оскільки джерела живлення не є ідеальними, різний струм викликає різну напругу на рейки живлення. Всі інші пристрої, підключені до того ж джерела живлення, будуть відчувати цю напругу, тобто. звуковий сигнал буде приєднаний до них. Це може спричинити нестабільність в аналогових схемах або неправильне перемикання цифрових. Розміщуючи конденсатори DEcoupling у описаних вище точках, напруга живлення стає більш стабільною, а пристрої відключаються один від одного.

Часто таблиця даних для мікросхеми конкретно закликає, скільки і який розмір конденсаторів використовувати. Якщо це не так, найкраща практика полягає в тому, щоб приєднати кришку потужності 1 мкФ до силових штифтів кожної мікросхеми, а також більшу кришку десь на платі. (До 2001 року в кращій практиці використовували ковпачки 0,1 uF).

ps: Ви думали про використання 74HC595 або 74HC166, а не 74195? Я підозрюю, що це спрацювало б так само добре і звільнить кілька шпильок на вашому Arduino.

Люди, як правило, дають одне пояснення, коли їх запитують, яка функція полягає в роз'єднанні конденсаторів, але правда вони виконують кілька завдань.

Ось перелік речей, які я знаю:

Вони зменшують відскок землі

Відскок заземлення - явище, коли зміна різниці напруги на земній площині негативно впливає (переважно) на аналогові та (іноді) цифрові сигнали. Для аналогових сигналів, як, наприклад, аудіо, це може проявлятися у вигляді високого шуму. Для цифрових сигналів це може означати відсутні / затримки / фальшиві переходи сигналу.

Зміна різниці напруги викликана створенням і руйнуванням магнітних полів, викликаних зміною потоків струму.

Чим довший шлях, яким повинен пройти поточний струм, тим вище індуктивність, пов'язана з ним, і тим гірше стає відскок землі. Кілька шляхів струму потоку також загострюють проблему, а також швидкість, з якою змінюється струм.

Поточний потік, очевидно, відбувається між джерелом живлення та підключеним ІМС, але дещо менш очевидно також і між "комунікаційними" ІМС. Поточний потік, пов'язаний з двома ІС, виглядає приблизно так; джерело живлення -> IC 1 -> IC 2 -> Заземлення -> джерело живлення.

Роз'єднаний конденсатор ефективно зменшує довжину шляху струму, функціонуючи як джерело живлення, тим самим зменшуючи індуктивність і, таким чином, відскакуючи заземлення.

Попередній приклад стає; Шапка -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> цоколь

Вони підтримують рівень напруги стабільним

Існує дві причини, чому рівень напруги коливається:

• Індуктивність сліду / дроту зменшує максимальну швидкість зміни струму через цей слід / провід; раптове збільшення «попиту» на струм призведе до падіння напруги; раптове зменшення «попиту» на струм призведе до сплеску напруги.
• Джерела живлення (особливо типу комутації) потребують часу для реагування і трохи відстають від поточного попиту.

Роз'єднаний конденсатор згладить попит на струм і зменшить будь-які перепади або сплески напруги.

Вони МОЖУТЬ зменшити EMI (передачу)

Коли ми говоримо про електромагнітні перешкоди, ми маємо на увазі передачу ненавмисних електромагнітних перешкод або отримання призначених або ненавмисних електромагнітних сигналів, які перешкоджають функціонуванню вашого пристрою. Зазвичай це стосується самої передачі.

Розміщення (роз’єднання) конденсаторів між площинами потужності та заземлення змінює коефіцієнт передачі в діапазоні частот. Мабуть, використовуючи лише одне значення для своїх конденсаторів для всієї друкованої плати, а також конденсатори з втратою / високим опором - це шлях, якщо вам потрібно зменшити ЕМІ, однак це суперечить загальній практиці (яка виступає за збільшення порядку ємності, чим ближче ви до джерела живлення). Більшість людей насправді не стосуються EMI, якщо вони створюють схеми для свого хобі (хоча це зазвичай радіоаматори), але це стає неминучим, коли ви проектуєте схему для масового виробництва.

Конденсатор (роз'єднаний) МОЖЕ зменшити ненавмисне електромагнітне випромінювання, яке виробляється вашою ланцюгом.

Щоб відповісти на ваші питання, що залишилися ..

Як дізнатись, чи потрібен він мені, і якщо так, то який розмір і куди він повинен їхати?

Зазвичай ви розміщуєте роз'єднувальний конденсатор, коли це можливо, вибираючи найменший фізичний розмір з найбільшим значенням максимально наближеним до штифта живлення ІС.

Чи потрібен буде 4-бітовий регістр зсуву паралельного доступу SN74195N, який використовується з Arduino? (Використовувати мій поточний проект як приклад) Чому чи чому ні?

Це, мабуть, спрацювало б добре, але навіщо турбуватися з "ймовірно", якщо ви можете збільшити шанси, розмістивши компонент, який коштує кілька центів, навіть один цент у деяких випадках?

Практично кожен ІС повинен мати конденсатор роз'єднання. Якщо у листі даних нічого не вказано, покладіть мінімальну керамічну кришку на 0,1 мкФ поблизу штифта живлення ІС, розрахованого на щонайменше вдвічі більше напруги, яку ви використовуєте.

Для багатьох речей знадобиться більше ємності на вході. Ці рекомендації часто можна знайти в таблицях даних, примітках до додатків або наборах оціночного набору.

Дозволяє зняти частину магії щодо обхідних ковпаків, вдосконалюючи схему схеми; 7400 сімейних воріт виглядають так:

Цей затвор, доступний 3-в-одному пакеті, забезпечує високий привід (великий вентилятор) і швидку швидкість. Всередині 74195 нам не потрібен весь цей привід. Нам потрібна швидкість. Ми припустимо 2 мА стрільби через ворота (~ ~ 15 воріт на FF)

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Нам потрібно зберігати достатню плату за 1uS зайнятих годинних дій. ЧОМУ? Навіщо використовувати 1uS? Оскільки великі конденсатори та довгі дроти будуть ЗВІНУВАТИ та порушувати VDD в ІС, якщо тільки не заглушити. Яка частота дзвінка? 1uH та 1uF виробляють 0,159KHz. Як змочити?

Використовуючи Q = 1 [визначений як Q = ZL / R = 2 (pi Fring L / R)] і Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), знаходимо Rdampen = sqrt (L / C). Для 1uH та 1uF потрібен ОДН OHM.

Розглянемо цю схему для гарного контролю дзвінків на VDD:

^{моделювати цю схему}

Що нам повідомляє провідник ланцюгів сигналів про це гасіння 1_ом?

Сюрприз? Логічному інженеру також потрібно ПРОЕКТУвати фільтрацію VDD і демпфірування VDD.

Щоб відповісти на ваше питання коротко: постійний струм не проходить через конденсатор. Більшість шумів - це шум, пов'язаний з змінного струму, або / і має характеристики змінного струму, тобто комутація + - деяке значення постійного струму. Для розміщення цих змін використовується конденсатор DECOUPLING. Він просто коротко вимикає сигнали змінного струму. Існує велика кількість чудових приміток про те, чому і як вони працюють: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Крім того, розмова про резервуар / згладжуючі конденсатори - виведення їх у цю нитку просто збиває з пантелику новачків з точки зору термінології.
Згладжування робиться для створення дуже стійкої напруги. Наприклад, виходи деяких датчиків / ланцюгів пропорційно залежать від їх напруги живлення. Пульсації в постачанні будуть безпосередньо впливати на їх вихід.

Конденсатор є накопичувальним елементом, і це заощадить енергію у вигляді заряду. Повертаючись до роз'єднаного ковпачка, його також називають байпасним конденсатором, оскільки він обходить пульсацію живлення, і ця заряджена шапка намагатиметься підтримувати постійну напругу постійного струму на штирі VDD.

Вони необхідні для зниження опору системи подачі електроенергії. На джерелах високих частот джерела живлення мають незначний серійний опір, головним чином, через індуктивність мереж живлення. Погляньте на розділ «Колір залізниці в цілісності електроенергії» наступної статті, який допоможе вам зрозуміти ідею: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/