D'où vient la valeur de 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation?

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Presque tout le monde recommande 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation. Pourquoi cette valeur? Je suppose qu'il n'y a aucun mal à utiliser des valeurs plus grandes, est-ce donc simplement un "minimum raisonnable"? Et si oui, pourquoi les gens optent-ils pour le minimum plutôt que d'utiliser des valeurs plus élevées - il me semble que vous pouvez obtenir des valeurs plus élevées sans frais supplémentaires.

Timmmm
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Même si des condensateurs d'état de valeur supérieure peuvent être achetés à la même valeur, la réponse en fréquence du condensateur de valeur supérieure est plus étroite que les condensateurs de valeur inférieure, voir electronics.stackexchange.com/questions/59325/…
Kvegaoro

Réponses:

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Les condensateurs de valeur supérieure ne seront pas aussi efficaces pour traiter le courant haute fréquence consommé par la puce. Au-dessus d'une certaine fréquence, un condensateur commencera à se comporter comme une inductance. La valeur où sa caractéristique change est la résonance propre en série de l'appareil: -

entrez la description de l'image ici

Ainsi, vous constaterez que sur les appareils à micro-ondes, des condensateurs 100pF sont également présents comme découplage avec les condensateurs en vrac. Voici un exemple de trois condensateurs découplant un FPGA: -

entrez la description de l'image ici

La courbe noire est l'impédance composite des trois condensateurs utilisés. Pris d' ici .

D'où vient la valeur de 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation?

C'est un bon compromis entre la capacité en vrac et la capacité haute fréquence MAIS si vous concevez des radios, votre découpleur par défaut peut être 10nF ou 1nF (UHF). Si vous concevez des trucs numériques à très haute vitesse, vous pouvez également utiliser 2 ou 3 valeurs différentes en parallèle comme dans l'image FPGA ci-dessus.

Andy aka
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Pourriez-vous expliquer pourquoi ils commenceraient à se comporter comme des inducteurs? Est-ce parce que, à des fréquences plus élevées, leur impédance diminuerait jusqu'à ce que l'inductance série équivalente prenne le relais?
Golaž
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@Golaz - exactement - regardez le 2e graphique dans ma réponse - il montre une représentation précise de trois condensateurs et gardez à l'esprit qu'une piste de circuit imprimé peut avoir une inductance de 1nH par mm.
Andy aka
Notez attentivement les pics antirésonants dans la courbe noire du graphique d'Andy - c'est pourquoi il est préférable d'utiliser plusieurs condensateurs identiques en parallèle que de mettre en parallèle des condensateurs de valeurs différentes. (Bien sûr, Ott explique tout cela très bien en ingénierie de compatibilité électromagnétique ...)
ThreePhaseEel
En réalité, c'est un joli chiffre rond, c'est pourquoi il est si largement populaire. Certaines personnes disent que vous devriez faire correspondre la fréquence de résonance avec votre fréquence fondamentale IC, par exemple la vitesse d'horloge µCU. D'autres personnes disent que cela accélère le changement de circuit et crée plus d'interférences électromagnétiques à haute fréquence. Je crois que ce dernier est faux parce que les bords tranchants (er) sont bien au-delà de la fréquence fondamentale. La fréquence de résonance de la fiche technique ne tient pas compte des vias et des traces, donc en réalité, vous devrez expérimenter pour obtenir la capacité juste. Ensuite, il y a la combinaison des deux, un bouchon "en vrac" de ~ 1µF à proximité et <100nF se ferment immédiatement
Barleyman
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Je suis désolé, mais cette réponse et les diagrammes qu'elle contient sont principalement basés sur des informations obsolètes des années 90. La réponse haute fréquence des condensateurs n'a rien à voir avec la valeur du condensateur, et tout à voir avec le boîtier du condensateur. Aujourd'hui, vous pouvez obtenir des céramiques de 10µF en emballage 0603 ou même 0402. Il est complètement inutile de connecter des capuchons de 100 nF en parallèle avec un capuchon de 10 µF de la même taille physique. Voir ceci pour une réponse beaucoup plus à jour, y compris des diagrammes modernes: electronics.stackexchange.com/questions/327975/…
Timmy Brolin
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Tout le monde ne recommande pas 0,1 uF comme condensateur de découplage, bien que ce soit un bon point de départ pour le 74HC et la logique à porte unique. La réponse de Kevegaro ici est bonne.

Par exemple, pour les FPGA Xilinx, voici une recommandation pour les condensateurs de dérivation:

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Ils recommandent 33 condensateurs de trois valeurs différentes par appareil.

Spehro Pefhany
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Cela soulève également une autre question que j'ai: pourquoi recommandent-ils d'utiliser plusieurs valeurs différentes? Est-ce simplement parce qu'il est impossible de rapprocher suffisamment les condensateurs 100uF de l'appareil? Edit: Peu importe, la réponse d'Andy répond à cela.
Timmmm
Oui, Andy répond à cela de façon assez approfondie!
Spehro Pefhany
Recommandation étrange avec les trois valeurs - avoir un bouchon de réservoir par rail, puis au moins un 0,1 uF par broche d'alimentation aurait plus de sens que d'essayer d'économiser sur les bouchons au détriment de risquer une défaillance due à des pics antirésonants, en particulier pour un programmable appareil où les horloges peuvent être bien ... n'importe quoi!
ThreePhaseEel
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L'explication d'Andy est belle et approfondie. Si vous le trouvez difficile à saisir, cela peut vous aider à visualiser le fonctionnement du découplage en termes simples. Dans votre esprit, imaginez une vue 3D de votre carte, elle a une charge (CI, etc.) et une source d'alimentation. La charge peut soudainement "demander" plus de courant à l'alimentation, mais il faut du temps pour que le courant de l'alimentation atteigne la charge sur la distance de trace et la résistance de trace. La résistance intégrée de l'alimentation elle-même ou le temps nécessaire à une alimentation de commutation pour détecter la nouvelle demande actuelle et l'ajuster (bande passante d'alimentation) est également un facteur. Bref, une alimentation ne fournit pas de courant instantanément, cela prend du temps.

Comme la charge attend l'arrivée du courant, elle n'a pas d'autre choix que de baisser la tension pour compenser le courant "manquant". Il doit obéir à la loi V = IR, la charge a diminué sa résistance (R) pour "indiquer" qu'il a besoin de plus de puissance, il n'y avait plus de courant immédiatement disponible donc je reste le même, donc V doit diminuer pour compenser.

Alors, comment pouvons-nous résoudre cela? Nous avons mis de petits condensateurs près de la charge. Ces condensateurs sont de petites «banques de charges» dont la charge peut rapidement se retirer pendant une demande excessive, plus rapidement que d'attendre que le courant sorte de l'alimentation. Pourquoi est-ce plus rapide? Parce que la distance entre le condensateur et la charge est plus courte et parce que la résistance intégrée d'un condensateur est beaucoup plus petite qu'une alimentation. Si "I" est immédiatement disponible, "V" n'a pas besoin de compenser - tout le monde est content.

Bien que beaucoup plus rapides que les alimentations, les condensateurs mettent également du temps à se "décharger" et à alimenter la charge proportionnellement à leur résistance interne qui augmente avec la capacité (farads). Donc, en bref, les condensateurs plus grands prennent plus de temps pour fournir le courant nécessaire. Vous devez donc choisir un condensateur de dérivation suffisamment rapide pour répondre à la charge, mais qui contient également suffisamment de charge pour répondre à la demande pendant que le courant de l'alimentation se déplace vers la charge.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Comme mentionné précédemment, pour une logique commune, il s'agissait d'un bon compromis entre le temps de réponse et les exigences de capacité des bouchons de dérivation aux demandes de charge. Vous pouvez sortir la calculatrice et découvrir exactement quelle est la meilleure valeur, mais il y a aussi des coûts de nomenclature à considérer. Si vous ajustez chaque condensateur de dérivation à sa charge, vous vous retrouverez avec beaucoup plus d'articles sur votre nomenclature et cela coûtera très rapidement! 0,1 uF pour la plupart des circuits logiques ou pour les circuits à grande vitesse 0,01 uF (100 nF) est généralement un bon choix. Économisez de l'argent dans votre nomenclature où vous le pouvez dans les limites de l'application.

Pour les charges qui modifient fréquemment la demande de courant (charges à haute fréquence), il existe d'autres moyens de contourner le temps de réponse par rapport au problème de capacité des condensateurs de dérivation. Vous pouvez:

  1. Utilisez un meilleur régulateur de puissance avec une bande passante plus élevée afin qu'il ne soit pas si long d'obtenir de la source à la charge.
  2. Mettez deux condensateurs en parallèle. Deux résistances en parallèle diminuent la résistance totale et ce n'est pas différent avec les résistances internes des condensateurs. Les condensateurs combinés ont donc une capacité accrue et un temps de réponse accru!
  3. Vous pouvez utiliser des bouchons parallèles de capacité différente, grand copain et petit copain. Donc, l'un pourrait être 0,01 uF et un autre 0,1 uF. Le premier ayant une réponse rapide et le second en retard un peu en réponse mais fournissant du courant pour une durée plus longue.
  4. Vous pouvez également distribuer la capacité dans votre circuit mais pas nécessairement au point de charge. Cette réponse du réservoir de charge est plus rapide que la source d'alimentation, vous pouvez donc utiliser des condensateurs de contournement plus petits à la charge, sachant que vos réservoirs de charge distribués absorberont le mou de l'alimentation.

Ceci est une vue simplifiée de tout. Il y a plus de facteurs, en particulier dans les circuits à grande vitesse. Mais si vous pouvez imaginer les principes électriques de base en jeu dans votre circuit comme un système dynamique d'approvisionnement et de demande, beaucoup de "meilleures pratiques" que nous lisons deviennent du bon sens. Une analogie plus simple pourrait être la chaîne d'approvisionnement d'Amazon. Leur objectif: fournir des articles aussi rapidement que possible partout aux États-Unis. Leur solution, des entrepôts proches de chaque ville, moins de temps de réponse pour sortir les articles de l'entrepôt et du camion. Vient ensuite la livraison par drone. C'est une bataille logistique de l'offre et de la demande et un compromis entre le temps de réponse et la capacité en fonction de la taille de chaque nœud de distribution et des coûts!

Une très bonne vidéo d'EEVBlog sur les facteurs pour les condensateurs parallèles: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

guru_florida
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Juste pour donner un bref aperçu de vos suggestions: 1. est utile pour réduire les besoins de capacité du réservoir, bien qu'il ne soit pas assez rapide pour faire face aux pics produits par la plupart des commutations numériques, 2. est très bon, surtout lorsqu'il est mis à l'échelle à 10 ou 20 capuchons pour un appareil au lieu de 2 ou 3 (pour les grosses puces, ma règle de base est de 1 cap 100nF par broche d'alimentation), 3. n'est pas si bon à cause des pointes antirésonantes qui peuvent créer des pics de bruit sur votre carte Le graphique d'Andy à nouveau!), Et 4. est une suggestion étonnamment bonne (consultez la technologie "Capacités enterrées" pour un exemple exceptionnel)
ThreePhaseEel
Bonne réponse simple, bien que d'après la réponse d'Andy, il semble que ce soit l'inductance qui soit le facteur limitant, pas la résistance.
Timmmm
Oui. Je n'ai pas abordé l'inductance dans mon analogie, mais c'est vraiment important. Vraiment, je devrais utiliser le mot impédance à la place de la résistance ci-dessus car c'est un facteur d'inductance, de résistance et de fréquence ... la résistance semble plus simple pour les gens. La résistance est une résistance de 0 Hz et l'impédance est une résistance à une certaine fréquence.
guru_florida
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La recommandation d'utiliser plusieurs valeurs, telles que 100nF + 10µF, vient des années 90 et 80, lorsque 100nF était le condensateur céramique le plus élevé facilement disponible avec une réponse décente à haute fréquence. Le condensateur de 10 µF serait un condensateur électrolytique ou au tantale avec un mauvais comportement à haute fréquence.

Cela a complètement changé aujourd'hui. Maintenant, vous pouvez facilement acheter des céramiques de 10µF en paquets 0603 ou même 0402. Pour les condensateurs en céramique, la réponse haute fréquence n'a rien à voir avec la valeur du condensateur et tout à voir avec la taille du boîtier du condensateur.

Avec les condensateurs modernes, il est généralement inutile de connecter un 100nF en parallèle avec un 10µF.

Vous pouvez facilement voir dans le diagramme ci-dessous que les condensateurs céramiques modernes de haute valeur sont aussi bons que les condensateurs de faible valeur pour les hautes fréquences, tant que la taille du boîtier est la même. (Les petits creux négatifs sont les fréquences de résonance. Vous ne voulez pas vous fier à la fréquence de résonance pour les condensateurs de découplage, donc ces creux doivent être ignorés)

Réponse en fréquence des condensateurs céramiques modernes

(Source de l'image: Analog Dialogue, septembre 2005 - Un guide pratique pour la mise en page de circuits imprimés à grande vitesse )

Timmy Brolin
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