Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки
Полное понимание конденсаторов развязки (блокировочных конденсаторов) поможет вам правильно включать эти критически важные компоненты в ваши проекты.
Конденсаторы, конденсаторы везде
Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.
Опасности переходного тока
Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.
Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.
Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).
Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!
На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.
Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.
Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.
Решение
Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.
Во-первых, короткая заметка о терминологии. Компоненты, обсуждаемые в данной статье, регулярно упоминаются и как «блокировочные конденсаторы», и как «конденсаторы развязки». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть схемы влияет на другую, а «блокирование» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли. Оба термина могут быть правильно использоваться, поскольку блокировочный конденсатор / конденсатор развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается термину «блокировочный конденсатор», чтобы избежать путаницы с последовательным конденсатором развязки, используемым для блокирования постоянной составляющей сигнала.
Заряд и разряд
Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.
Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.
Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.
Стандартный подход
Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.
Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.
Если мы включим эти блокировочные конденсаторы в схему моделирования с 8-ю инверторами, рассмотренную выше, звон будет устранен, а величина возмущений напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ.
Идеал и реальность
На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.
Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.
Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.