Voici un schéma du CI et des filtres du régulateur de puissance d'une carte Basys-2. Ce n'est qu'un exemple, mais c'est assez similaire à de nombreux modèles que j'ai vus.
Pourquoi y a-t-il tant de condensateurs ajoutés en parallèle plutôt qu'un seul gros condensateur? Quelqu'un peut-il me donner des avantages et des inconvénients à ajouter de nombreux condensateurs en parallèle plutôt qu'un grand condensateur pour chaque réseau d'alimentation?
Réponses:
Les bouchons sont situés à proximité de chaque circuit intégré numérique, ou petit ensemble de ces circuits intégrés, pour agir comme des réservoirs locaux pour atténuer les demandes de courant fluctuant rapidement de ces circuits intégrés. Cela empêche ces courants qui fluctuent rapidement de provoquer des tensions fluctuantes sur des fils d'alimentation plus longs (traces de PCB) et éventuellement de perturber d'autres puces connectées à ces fils d'alimentation.
Dans certains cas, vous verrez également un grand capuchon parallèle avec un petit capuchon juste à côté. Le grand capuchon fournit un grand réservoir, mais a une résistance interne importante, donc ne répond pas aussi rapidement qu'un petit capuchon. Ainsi, ensemble, les deux bouchons peuvent réagir rapidement et fournir un grand réservoir.
Les vrais condensateurs ont à la fois une résistance interne et une inductance en série avec leur capacité "idéale". Les effets sont plus importants avec des condensateurs de plus grande valeur et varient en fonction du matériau et de la construction du condensateur. Pour la discussion actuelle, ces deux caractéristiques non idéales agissent pour ralentir la vitesse à laquelle le condensateur peut répondre.
Une bonne discussion peut être trouvée ici: http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/21.html
Un article supplémentaire sur la disposition de la carte pour le numérique haute vitesse: http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf
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Ces bouchons sont utilisés comme condensateurs de "découplage". Même s'ils apparaissent comme s'ils étaient tous côte à côte, ils seront situés (souvent par paires) sur la carte de circuit imprimé à côté des broches d'alimentation des circuits intégrés numériques.
Contrairement aux circuits analogiques, un circuit numérique utilise la puissance en rafales courtes et rapides. Toutes les traces ou fils ont une inductance, ce qui empêche le courant de changer aussi rapidement que l'IC en a besoin. Cela pose deux problèmes: la tension fluctue au niveau de la broche d'entrée et le courant qui change rapidement fait que les traces rayonnent du bruit électrique.
Un condensateur de découplage assure deux fonctions principales:
La première fonction est d'éviter ces deux problèmes. Il agit comme un petit tampon de puissance juste au niveau du circuit intégré et peut fournir les courants rapidement fluctuants nécessaires. Puisqu'ils sont situés juste à côté des circuits intégrés, il n'y a pas de longues traces pour agir comme générateurs de bruit.
La deuxième fonction est d'agir comme un filtre, atténuant le bruit vu de l'extérieur de la puce. C'est là que les multiples valeurs des condensateurs entrent en jeu. Les condensateurs ont également une petite inductance parasite. Chaque condensateur que vous ajoutez crée un filtre LC. Chaque valeur de condensateur différente, combinée à l'inductance parasite, filtre une plage de fréquences différente. Il est courant de voir un 100pF à côté d'un cap de 0,1 uF à chaque broche d'alimentation. Cette combinaison a une bande passante de filtrage favorable.
Ainsi, même si vous pouviez utiliser un grand condensateur pour correspondre à la capacité nominale du bus, vous perdriez les avantages du découplage.
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Ce FPGA couvre une large gamme de fréquences dans la gamme de 500KHz à 500MHz. Ainsi, pour maintenir à plat l'impédance d'alimentation de msec à nsec, une combinaison parallèle de condensateurs de différentes valeurs dans un mélange approprié est utilisée. La valeur n'est pas très critique et se situe généralement dans la plage de 0,001 μF à 4,7 μF, mais la combinaison de valeurs aide à maintenir l'impédance basse et à éviter les pics de résonance (une valeur par décennie par exemple). Les condensateurs basse fréquence ( avec un ESR plus élevé) et ils ont de bonnes performances dans une gamme de fréquences plus large, donc aucune combinaison n'est nécessaire. Les valeurs typiques vont de 470μF à 1000μF.
Il est donc normal de voir jusqu'à 50 condensateurs dans l'empreinte d'un FPGA ou autour, comme 1x680μF, 7x2,2μF, 13x0,47μF et 26x0,047μF
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