Warum benötigen Entkopplungs- / Bypass-Kondensatoren keine Widerstände, um ihre Funktion zu erfüllen, wie normale Filter?

Warum benötigen Entkopplungs- / Bypass-Kondensatoren keine Widerstände, um ihre Funktion zu erfüllen, wie normale Filter?

Liegt es daran, dass der Streuwiderstand von Kupferspuren ausreicht, um zusammen mit dem Kondensator die Frequenzen zu filtern, die durch Entkopplungskappen angestrebt werden?

Ich würde mir einen Entkopplungskondensator nicht als Filter vorstellen, wie Sie es beschreiben. Wie bei einem RC-Filter wie diesem, bei dem die Rauschquelle die Stromversorgung ist und Ihre "Entkopplungs" -Kondensatoren dabei helfen, diese herauszufiltern, bevor sie Ihren Chip erreichen.

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

Es verhindert nicht, dass Rauschen auf Ihren Chip gelangt, wie es ein kleiner PI-Filter tun könnte, es hilft Ihrem Chip, kein Rauschen zu verursachen :) Sie haben einen Chip und er wird dynamische Stromanforderungen haben, die sich im Laufe der Zeit ändern. Mit anderen Worten, während Ihr Chip seine Sache macht, zieht er Strom bei verschiedenen Frequenzen, um zu sagen, dass er seine Transistoren schaltet.

In einer idealen Welt hätten Sie nur ein ideales Netzteil ohne Impedanz zwischen diesem und Ihrem Chip. Dein Chip könnte so viel Strom ziehen, wie er wollte, mit welcher Frequenz er wollte und ein Teil meiner Arbeit würde viel einfacher werden;)

In Wahrheit gibt es parasitäre Komponenten, insbesondere parasitäre Induktivität, die die Strommenge begrenzen, die Sie bei einer bestimmten Frequenz mit einem bestimmten Spannungsabfall ziehen können. Die Impedanz dieser parasitären Induktivitäten nimmt mit der Frequenz zu, sodass Sie irgendwann keine nennenswerte Strommenge mehr ziehen können. Ihr Chip möchte wahrscheinlich in einem Bereich von 1,8 V +/- 0,5% liegen. Er wurde so konzipiert und zeitlich begrenzt, dass er in diesem Bereich funktioniert. Wenn Sie nicht für alle Anforderungen den richtigen niederohmigen Pfad bereitstellen, kann dies beispielsweise dazu führen, dass die Spannung außerhalb dieses Bereichs abfällt, was zu einem unerwünschten Betrieb führen kann.

Hier ist ein schönes Bild eines Stromverteilungsnetzes von Altera. Es enthält den Spannungsregler und seine Quellenimpedanz, Entkopplungskappen und einige Parasiten im Gehäuse.

Wenn Sie nur eine Platine ohne Entkopplungskappen entworfen haben, müssen Sie jedes Mal, wenn Sie Strom benötigen, diese sehr hochohmige Verbindung von Ihrem Chip über die Platine bis zum Regler und hoffentlich zu seiner Masse durchlaufen Kondensatoren. Das funktioniert gut für niedrige Frequenzen, aber wenn Ihre Frequenz zunimmt, bedeutet diese parasitäre Induktivität, dass sich auch die Impedanz zwischen Ihnen und Ihrem Netzteil erhöht. Sie wissen aus dem Ohmschen Gesetz, dass, wenn Sie den Stromfluss konstant halten, aber den Widerstand erhöhen (in unserem Fall die Impedanz), auch der Spannungsabfall über dieser Impedanz zunehmen muss. Um dem entgegenzuwirken und die Impedanz des PDN zu senken, verwenden wir Entkopplungskondensatoren. In einem PDN nennen wir diese Spannungswelligkeit,

Schauen wir uns als Beispiel nur eine Frequenz an, beispielsweise 100 MHz. Nehmen wir an, Sie haben überhaupt keine Entkopplung verwendet und beschlossen, 1 Ampere bei 100 MHz zu ziehen. Die Impedanz von der Stromversorgung über die Induktivität der Ebenen und möglicherweise der Bulk-Kappen zum Chip beträgt jedoch 1 Ohm bei 100 MHz. Das bedeutet, dass Sie über diese Impedanz einen Spannungsabfall von 1 V erhalten. Wenn Sie ein Netzteil hätten, das bei 1,8 V beginnt und auf 0,8 V abfällt, wenn Ihr Chip es benötigt, wären Sie in Schwierigkeiten.

Stellen Sie sich nun dasselbe Szenario vor, nachdem wir eine Reihe von Entkopplungskappen hinzugefügt haben. Dadurch wird die Impedanz des Stromversorgungsnetzes auf beispielsweise 0,05 Ohm reduziert. Jetzt sehen Sie für dieselbe 1A-Ziehung nur einen Spannungsabfall von 50 mV, was eine viel tolerierbarere Zahl ist.

Sie können im Bild unten die zwei verschiedenen Szenarien aus einer einfachen Gewürzsimulation der oben genannten sehen. Das Grün ist die Impedanz für die Platine ohne Kondensatoren, und das Blau ist, nachdem mehrere verschiedene Wertentkopplungskondensatoren hinzugefügt wurden.

Ab hier wird es tatsächlich glücklicherweise komplizierter. Sie ziehen nicht nur Strom mit 100 MHz, sondern einen Frequenzbereich, und Sie wissen oft nicht, was sie vom Chiphersteller sind. Stattdessen entwerfen Sie für einen Bereich von erwarteten Werten. Altera hat ein schönes Papier, das es ausführlicher erklärt, und es gibt viele Bücher darüber.

Hoffentlich hilft das etwas, ich denke, Sie können aus dem Obigen ersehen, dass das Hinzufügen einer höheren Impedanz zu Ihren Kondensatoren sie weniger effektiv machen würde (nun, es gibt einige Argumente über Dämpfung ...). Wenn Sie sich dieses Altera-Bild genau ansehen, sehen Sie die parasitären Induktivitäten und Widerstände, die Teil eines realen Kondensators und seiner Montage sind. Menschen, die Hochgeschwindigkeitsplatinen entwerfen, bei denen die Entkopplung wirklich wichtig wird, verbringen viel Zeit damit, die im Layout zu minimieren und Komponenten mit den niedrigsten parasitären Werten auszuwählen.

Sie sind grundsätzlich richtig. Ein Entkopplungskondensator wird benötigt, weil

• Die Spur von der Stromquelle zum verbrauchenden Chip verhält sich wie ein Induktor
• Die Stromquelle selbst ist nicht unendlich schnell, sie verhält sich mehr oder weniger wie eine ideale Stromquelle mit einer kleinen Serieninduktivität

Der / die Entkopplungskondensator (en) und diese Induktivitäten bilden ein Tiefpass- / Hochblockfilter. Oder anders ausgedrückt, sie stabilisieren die Spannung, die der verbrauchende Chip empfängt.

Nicht nur Kupferspuren, sondern alle parasitären Widerstände: Eingangsimpedanz der Stromsenke, Ausgangsimpedanz der Quelle usw. (hängt von den untersuchten Frequenzen ab)

Bei einem perfekten System ist der Vorwiderstand selbst Null. Gleichspannungen werden also nicht übertragen, während Wechselspannungen perfekt übertragen werden (wie ein Kurzschluss). Es ist kein Standardfilter, bei dem Sie eine Frequenz berechnen. Es geht vielmehr darum, Ihr System vom Gleichstromteil der Quelle zu entkoppeln. Und im normalen Hochpassfilter haben Sie einen Widerstand, der mit Masse verbunden ist, nicht mit Vorwiderständen.

Dies wird nicht zum Filtern einer bestimmten Frequenz verwendet, sondern nur zum Übertragen des Signals (Wechselstromteil). Deshalb wird es Entkopplungskondensator genannt.