Bypass-Kondensatoren in digitalen Niederfrequenz-Logiksystemen benötigt?

Ich weiß, dass es eine gute Praxis ist, Bypass-Kondensatoren in der Nähe der Stromanschlüsse Ihrer ICs zu verwenden, aber ich gehe jetzt von der Breadboarding-Phase zur PCB-Design-Phase über und möchte wissen, ob es gute Faustregeln gibt für den Fall, dass die Kappen tatsächlich benötigt werden (ich möchte keine PCB-Immobilien verschwenden).

Was ist zum Beispiel, wenn ich einen einfachen Zähler-IC habe, der von einem 250-kHz-Taktsignal gespeist wird? 31,25 kHz? Kann ich die Bypass-Kappen weglassen, wenn sich alle Eingangs- und Ausgangssignale eines IC bei ausreichend niedrigen Frequenzen ändern und der IC nicht viel Strom zieht ?

Bearbeiten: Text kursiv eingefügt.

Der relevante Faktor sind die Anstiegs- / Abfallzeiten, nicht die Taktrate. Hier sind zwei relevante Papiere . Herkömmlicherweise halten sich Designer an eine 100-nF-Kappe pro IC. Beachten Sie, dass sie mehreren Zwecken dienen: Signalintegrität, Stromversorgungsrauschen, interner IC-Betrieb, abgestrahlte EMI, Anfälligkeit für EMI. Die Verwendung eines SMT 0805 oder kleiner (kleiner ist besser) sollte nicht zu viel Platz auf der Platine beanspruchen.

Wenn es um die Entkopplung geht, bestimmt selten die Taktfrequenz, wie es geht. Die primäre Bestimmung für einfache Chips (wie Quad-Gates, Puffer usw.) ist die Flankenrate (oder Anstiegsrate) der Ausgangssignale. Je schneller das Signal von 0 nach 1 und von 1 nach 0 übergeht, desto höher ist die Flankenrate. Je schneller die Kantenrate ist, desto mehr Entkopplungskappen sind erforderlich.

Die Kantenrate ist für komplexe Chips immer noch sehr wichtig, aber auch die Logik im Chip wird zu einem wichtigen Faktor. Im Wesentlichen gibt es Signale im Chip, die ebenfalls übergehen, und obwohl Sie sie nicht sehen oder prüfen können, sind sie wichtig.

Entkopplungskappen sind wichtig, sparen Sie nicht daran - besonders wenn Ihre Stromverteilungskabel eine höhere Impedanz haben, als Sie möchten, wie bei einem Steckbrett.

Meine Neigung wäre anzunehmen, dass, wenn ein Chip keine Bypass-Kappe hat, die Ausgänge und der interne Zustand jedes Mal, wenn sich einer der Eingänge oder der interne Zustand ändert, für einige Nanosekunden willkürlich randomisiert werden können. Wenn dies nachteilige Auswirkungen haben würde, verwenden Sie eine Bypass-Kappe. Wenn dies keine nachteiligen Auswirkungen haben würde (z. B. weil die Ausgänge des Chips nur zu einem Zeitpunkt abgetastet werden, lange nachdem sich die Eingänge geändert haben, und weil die Eingangsänderungen so weit voneinander entfernt sind, dass das Ausgangsrauschen keine unerwünschten HF-Emissionen verursachen würde), dann Die Bypass-Kappen können wahrscheinlich weggelassen werden. Beachten Sie, dass nach dieser Definition fast jedes Teil mit jeder Art von Verriegelung eine Bypasskappe benötigt. Wenn der Zustand der Ausgangspins eines Geräts für eine nachgeschaltete Schaltung immer entweder irrelevant ist oder durch die Eingänge eindeutig bestimmt wird,

Der Grund, warum Kondensatoren zwischen IC-Versorgungsstift (en) und Leistungsrückführung (Masse) platziert werden, besteht normalerweise darin, Rauschen herauszufiltern, das erzeugt wird, wenn Stromimpulse in den IC gesaugt werden (Entschuldigung, wenn ich das Offensichtliche sage). Dies ist meistens eine Überlegung bei digitalen ICs, nicht so sehr bei linearen Verstärkern. Beispielsweise ziehen digitale CMOS-Schaltungen im Allgemeinen nur dann Strom, wenn sie schalten. Somit neigt der Versorgungsstrom dazu, in Impulsen zu fließen. Diese Stromimpulse erzeugen Spannungsrauschen, wenn sie durch den endlichen Verbindungswiderstand zwischen der Stromversorgung und dem IC fließen. Zusätzlich hat das Netzteil (oder die Batterie) im Allgemeinen einen endlichen Ausgangswiderstand, der einen Spannungsabfall aufweist, wenn Strom aus dem Netzteil gezogen wird. Und da sich viele Schaltkreise normalerweise eine Versorgung teilen, sieht jeder dieses Rauschen - keine gute Sache für empfindliche Schaltkreise.

Wenn jedoch ein "lokaler" Filterkondensator (Entkopplungskondensator) direkt am IC-Versorgungsstift angeordnet ist, wird der größte Teil des Stromimpulses aus dem lokalen Kondensator herausgezogen und muss nicht vollständig von der Stromversorgung kommen. Und da der Impuls kurz ist, ist die aus der Kappe entnommene Gesamtladung so klein, dass die Kondensatorspannung nur geringfügig abfällt. Daher muss nicht viel Strom aus der Versorgung kommen, um sie bei jeder Umschaltung wieder aufzuladen Zyklus. Fazit: Lärm auf der Versorgungsschiene wird stark reduziert.

Wie andere vorgeschlagen haben, ist die Taktfrequenz nicht so sehr das Problem. Die Amplitude der Stromspitzen ist das Problem. Je mehr Transistoren schalten, desto mehr Strom wird gezogen. Und da die Transistoren sehr schnell schalten, sind die Stromimpulse sehr kurz (dies ist eine Art, was gemeint ist, wenn von Flankenrate oder Anstiegsrate gesprochen wird). Sie können sich eine Situation vorstellen, in der viele, viele Transistoren synchron mit 10 Hz schalten und gigantische Stromspitzen ziehen. Die Taktrate spielt zwar eine große Rolle, aber nicht die einzige.

Die Entkopplung ist in erster Linie ein Problem bei digitalen ICs, aber Sie möchten im Allgemeinen auch Entkopplungskappen auf den Schienen eines Opamps verwenden, da dies dazu beiträgt, das von anderen Schaltkreisen erzeugte Rauschen herauszufiltern.

Aktualisiert: Im Allgemeinen gilt als Faustregel, an jeden Power-Pin 0,1 uF zu kleben. Sollte nicht zu viel Platz beanspruchen. Selbst wenn der Effektivstrom niedrig ist, könnte der gepulste Strom höher sein. Aber wenn Sie ein rauschresistentes System haben (alles digital, wenige Komponenten, geringer Stromverbrauch, geringer Strom), ist es möglicherweise nicht wirklich wichtig ...

Was treibt Ihre Besorgnis über PCB-Immobilien an? 0,1 uF- und 1 uF-Kappen sind physikalisch klein und verursachen normalerweise nur geringe Routing-Komplikationen.

Oberflächenmontagegeräte? Versuchen Sie, die Kappen auf der Rückseite der Platine anzubringen.

Socketed-DIPs machen? Sie können Steckdosen mit eingebauten Kondensatoren erhalten, sodass Sie ohne die Kappen entwerfen und Ihre Steckdose wechseln können, wenn Sie feststellen, dass Sie sie benötigen.

Ich glaube nicht. 250 kHz sind keine Niederfrequenz, was das Leiterplattenlayout und die Entkopplung betrifft. Sie benötigen nicht auf jedem Chip Elektrolyse, a$1\,\mathrm{\mu F}$ SMD-Keramik sollte Sie bedeckt haben.