Qu'est-ce qu'un condensateur de découplage et comment savoir si j'en ai besoin?

Qu'est-ce qu'un condensateur de découplage (ou condensateur de lissage, comme indiqué dans le lien ci-dessous)?

Comment savoir si j'en ai besoin et, si oui, quelle taille et où aller?

Cette question mentionne beaucoup de puces nécessitant un entre VCC et GND; Comment savoir si une puce en est une?

Un registre à décalage d’accès parallèle 4 bits SN74195N utilisé avec un Arduino en aurait-il besoin? (Pour utiliser mon projet actuel comme exemple) Pourquoi ou pourquoi pas?

J'ai l'impression que je commence à comprendre les bases des résistances et de certains endroits où elles sont utilisées, quelles valeurs doivent être utilisées dans ces endroits, etc., et j'aimerais comprendre également les condensateurs au niveau de base.

Je suis celui qui a posé cette question. Voici ma compréhension rudimentaire:

Vous attachez des condensateurs à travers $V_{CC}$ / GND pour essayer de maintenir la tension plus constante. Sous un circuit continu, un condensateur agit comme un circuit ouvert, ce qui évite les problèmes de court-circuit. Lorsque votre appareil est mis sous tension ( $V_{CC}$ = 5 V), le condensateur se charge au maximum et attend qu’une modification de la tension se produise entre $V_{CC}$ et GND ( $V_{CC}$ = 4,5 V). À ce stade, le condensateur se décharge pour essayer de ramener la tension au niveau de charge à l'intérieur du condensateur (5V). C'est ce qu'on appelle le "lissage" (ou du moins c'est ce que je l'appelle) car le changement de tension sera moins prononcé.

En fin de compte, la tension ne reviendra jamais à 5V à travers un condensateur, mais le condensateur se déchargera jusqu'à ce que la charge à l'intérieur soit égale à la tension d'alimentation (jusqu'à l'équilibre). Un mécanisme similaire est responsable du lissage si $V_{CC}$ augmente trop au-delà de sa moyenne ( $V_{CC}$ = 5,5 V peut-être).

Pour ce qui est de la raison pour laquelle vous en avez besoin, ils sont très importants dans les circuits analogiques et numériques à grande vitesse. Je ne peux pas imaginer que vous en auriez besoin pour un SN74195, mais ça ne fait pas de mal!

Les alimentations sont lentes ... il nous faut environ 10 personnes pour répondre (c.-à-d. Une bande passante allant jusqu'à 100 kHz). Ainsi, lorsque votre microcontrôleur multi-MHz volumineux commute une série de sorties de haut en bas, il tire sur l’alimentation, provoquant une chute de tension jusqu’à ce qu’il réalise (10 plus tard!) Qu’il doit faire quelque chose. corriger la tension tombante.

Pour compenser les alimentations lentes, nous utilisons des condensateurs de découplage. Les condensateurs de découplage ajoutent un "stockage de charge" rapide près du circuit intégré. Ainsi, lorsque votre micro commute les sorties, au lieu de tirer la charge de l’alimentation, il tire d’abord sur les condensateurs. Cela permettra à l’alimentation d’avoir le temps de s’adapter à l’évolution de la demande.

La "vitesse" des condensateurs varie. Fondamentalement, les petits condensateurs sont plus rapides; L’inductance tend à être le facteur limitant, c’est pourquoi tout le monde recommande de placer les plafonds aussi près que possible de VCC / GND avec les dérivations les plus courtes et les plus larges qui soient pratiques. Choisissez donc la capacité la plus grande dans le plus petit boîtier, et ils fourniront la charge la plus rapide possible.

Normalement appelé "bouchon de dérivation", car le bruit haute fréquence contourne le circuit intégré et passe directement à la terre, ou " bouchon de découplage ", car il empêche le courant absorbé par un circuit de se coupler à l'alimentation d'un autre circuit.

"Comment puis-je savoir si une puce en est une?"

Supposez simplement qu'ils le font tous. :) Si une puce consomme du courant de façon intermittente, la tension d'alimentation s'abaissera de manière intermittente. Si une autre puce est "en aval", il verra ce bruit sur ses broches d'alimentation. Si c'est assez grave, cela peut causer des erreurs, du bruit ou autre. Nous mettons donc généralement des bouchons de dérivation sur tout, "en amont" du circuit intégré. (Oui, l'orientation des traces et l'emplacement des composants sont importants, car le cuivre n'est pas un conducteur parfait.)

Un condensateur de lissage (ou condensateur de découplage ) est utilisé pour réduire la variation de la tension d'alimentation. Lorsque vous tirez des courants élevés de votre alimentation (comme lorsque la logique numérique bascule), vous constaterez une variation de la tension d'alimentation. La commutation tente de générer des courants instantanés importants et produit une chute de tension due à l'impédance de la source de tension et à la connexion entre la source de tension et le circuit intégré. Un condensateur de découplage aidera à maintenir (ou à lisser) la tension d'alimentation au niveau de l'appareil. Le fait de placer cet élément de stockage près du CI réduit le changement de tension sur le CI.

Si vous ne mesurez pas la tension d'alimentation sur chaque CI lorsque ce dernier consomme ses courants de commutation maximaux, il est difficile de dire quelle sera l'efficacité du condensateur. Pour la plupart des appareils numériques, il est recommandé d'utiliser une céramique de 0,1 µF très proche de l'appareil. Étant donné que les condensateurs sont petits et peu coûteux, la plupart des concepteurs ne feront qu’ajouter les condensateurs. Parfois, si j’ai deux dispositifs logiques très proches, vous pourrez peut-être orienter un seul condensateur entre deux circuits intégrés. Ce n'est généralement pas le cas.

Les circuits intégrés d’alimentation ont des exigences plus grandes en termes de condensateur de lissage car les courants de swithing sont plus importants. Pour ces périphériques, vous devez examiner de plus près les exigences en matière d'ondulation de l'application afin de déterminer le condensateur de filtrage approprié.

Juste pour ajouter plus sur les émissions EM.

La plupart des entreprises recommanderont des plafonds de 0,1 µF à chaque entrée de puissance. Gardez à l'esprit qu'il ne s'agit que du strict minimum nécessaire pour éviter les chutes de tension pouvant affecter le fonctionnement. Si vous construisez un circuit imprimé qui doit respecter les exigences de la partie 15 de la FCC en matière d'émissions, vous devez aller plus loin.

En fin de compte, vous devez calculer la capacité totale nécessaire sur le plan d'alimentation en fonction de la conception du circuit imprimé et de l'utilisation de l'énergie. Une règle générale que j'utilise comme point de départ est un capuchon de tantale de 10uF par circuit intégré principal (microcontrôleur, ADC, DAC, etc.), puis un capuchon de 0,1uF et 10nF à chaque broche d'alimentation de chaque circuit intégré. Les plafonds 10nF doivent être petits (de préférence 0402 ou au plus 0603) pour éviter que l’inductance de plomb du boîtier ne supprime l’effet du condensateur.

Je recommande vivement ce livre si vous envisagez de vous lancer dans la conception numérique à haute vitesse, qui signifie vraiment tout ce qui dépasse 1 MHz.

Les questions liées au découplage semblent être très fréquentes ces derniers temps. J'ai donné une réponse détaillée ici: découplage des capuchons, disposition des circuits imprimés

Cela parle de problèmes de découplage et de mise en page. Le lissage de l'alimentation électrique est une question totalement différente. Cela nécessite généralement des capuchons plus grands, qui doivent pouvoir stocker une quantité d'énergie raisonnable, car la fréquence d'ondulation de l'alimentation est beaucoup plus basse que celle que les fréquences que les découplages découplent sont censées gérer.

Je voudrais insister sur l’un des points soulevés par jluciani. Il est très important de placer le condensateur aussi près que possible de l’alimentation des puces. Cela peut aider à éliminer tout bruit introduit ailleurs que ce soit, dans votre circuit, de l'alimentation ou même un bruit provenant d'une source provenant de votre carte.

jluciani a raison de dire que 0.1uF est très commun pour être placé à côté de CI. Il suffit de penser à la capacité en fonction de la charge que le condensateur peut supporter. Ainsi, plus la capacité est grande, plus elle est chargée. Si vous mettez des condensateurs en parallèle, vous augmentez la capacité, ce qui augmente la capacité effective.

En ce qui concerne votre question de savoir si cette puce en a besoin ou non, je dirais que cela ne ferait pas de mal. La fiche technique indique généralement si la puce nécessite des condensateurs de découplage (ou de lissage) et, le cas échéant, quelle est la valeur recommandée.

Juste pour ajouter quelques points aux autres réponses:

Pour mesurer les effets des pointes de courant sur la tension d'alimentation, vous avez besoin d'un oscilloscope rapide. Cela dépend de la vitesse des circuits, mais je suppose que vous aurez besoin d’une bande passante de 200 MHz à 1 GHz.

En outre, si le circuit d'alimentation supportant les pointes de courant est important, des émissions radio se produiront, ce qui est mal vu pour diverses raisons techniques et juridiques. Un condensateur de dérivation agit comme un raccourci pour ces pics, donc il y a beaucoup moins d'émissions.

Les bouchons de dérivation sont suffisamment bon marché pour que dans de nombreux cas, il n’ya aucune raison de ne pas les mettre partout. Si l'espace ou le coût sont des problèmes extrêmes, cependant, il peut être raisonnable d'en laisser quelques-uns. La clé est de reconnaître ce qui peut arriver si elles sont laissées. Ma suggestion serait de supposer le pire des scénarios s’ils ne sont pas remplis: (1) le rayonnement RF à la fréquence de commutation d’entrée peut être augmenté, et (2) chaque fois qu’une entrée commute, supposons que les sorties et l’état interne de l’appareil peuvent être arbitrairement piqué. Si l'un de ces comportements pose problème, des limites de contournement sont requises. Si cela ne pose pas de problème (par exemple, parce qu'aucune des entrées ne commute assez souvent pour que le rayonnement soit un problème, le périphérique n'a pas d'état interne,

Dans un cas général, certains ou plusieurs circuits intégrés, transistors ou valves (tubes) seront connectés à la même alimentation. Lorsqu'un dispositif fonctionne dans ces situations, il tire des quantités variables de courant de l'alimentation en fonction du signal qui le traverse. Comme les alimentations ne sont pas parfaites, le courant variable fait apparaître une tension variable sur les rails d'alimentation. Tous les autres appareils connectés à la même alimentation sentiront alors cette tension, c.-à-d. un signal de bruit y sera couplé. Cela peut entraîner une instabilité dans les circuits analogiques ou une commutation incorrecte dans les circuits numériques. En plaçant des condensateurs DEcouplage aux points décrits ci-dessus, la tension d'alimentation devient plus stable et les dispositifs sont découplés les uns des autres.

Souvent, la fiche technique de la puce indique spécifiquement le nombre et la taille des condensateurs à utiliser. Dans le cas contraire, la meilleure pratique consiste à fixer un capuchon de 1 µF aux broches d'alimentation de chaque puce, plus un capuchon plus grand quelque part sur le tableau. (Avant 2001, les meilleures pratiques utilisaient des capsules de 0,1 µF).

ps: avez-vous envisagé d'utiliser un 74HC595 ou 74HC166 plutôt que le 74195? Je suppose que cela fonctionnerait aussi bien et libérerait des épingles sur votre Arduino.

Les gens donnent généralement une explication lorsqu'on leur demande quelle est la fonction de découplage des condensateurs, mais la vérité est qu'ils remplissent plusieurs tâches.

Voici la liste des choses que je connais:

Ils réduisent le rebond au sol

Le rebond de masse est un phénomène dans lequel une différence de tension changeante sur le plan de masse affecte négativement (principalement) les signaux analogiques et (parfois) numériques. Pour les signaux analogiques, comme l'audio par exemple, cela pourrait se manifester sous forme de bruit aigu. Pour les signaux numériques, cela peut signifier des transitions de signal manquantes / retardées / fausses.

La différence de tension changeante est provoquée par la création et l’effondrement de champs magnétiques causés par des courants de courant changeants.

Plus le chemin parcouru par le courant doit être long, plus l'inductance qui lui est associée est grande et plus le rebond au sol devient mauvais. De multiples chemins de flux de courant aggravent également le problème, ainsi que la vitesse à laquelle le courant change.

Le flux de courant se produit évidemment entre une alimentation et un CI connecté, mais un peu moins évidemment aussi entre des CI "en communication". Le flux de courant associé à deux CI ressemble à ceci; alimentation -> IC 1 -> IC 2 -> Terre -> alimentation.

Un condensateur de découplage diminue efficacement la longueur d'un trajet de courant en fonctionnant comme source d'alimentation, diminuant ainsi l'inductance et donc le rebond de masse.

L'exemple précédent devient; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Terre -> Cap

Ils maintiennent les niveaux de tension stables

Les niveaux de tension fluctuent pour deux raisons:

• L'inductance de trace / fil diminue le taux maximum de changement de courant à travers cette trace / fil; une augmentation soudaine de la «demande» de courant entraînera une chute de tension; une diminution soudaine de la «demande» de courant se traduira par une pointe de tension.
• Les alimentations électriques (en particulier celles à commutation) ont besoin de temps pour réagir et accuseront un léger retard par rapport à la demande actuelle.

Un condensateur de découplage lissera la demande de courant et réduira les chutes ou les pointes de tension.

Ils peuvent réduire les EMI (transmission)

Lorsque nous parlons d'interférences électromagnétiques, nous nous référons à la transmission d'interférences électromagnétiques non intentionnelles ou à la réception de signaux électromagnétiques prévus ou non intentionnels perturbant le fonctionnement de votre appareil. En règle générale, il fait référence à la transmission elle-même.

L'emplacement des condensateurs (découplage) entre les plans d'alimentation et de masse modifie le coefficient de transmission sur une plage de fréquences. Apparemment, utiliser une seule valeur pour vos condensateurs pour l'ensemble du circuit imprimé, ainsi que pour les condensateurs avec pertes / haute résistance, est la voie à suivre si vous devez réduire les interférences électromagnétiques. Toutefois, cela va à l'encontre de la pratique courante (qui préconise un ordre de capacité croissant à mesure que vous vous rapprochez à l'alimentation). La plupart des gens ne s’intéressent pas vraiment aux EMI s’ils font des circuits pour leur loisir (ce qui est généralement le cas des radioamateurs), mais cela devient inévitable lorsque vous concevez un circuit pour la production en série.

Un condensateur (de découplage) PEUT réduire les rayonnements électromagnétiques involontaires produits par votre circuit.

Pour répondre à vos questions restantes ..

Comment savoir si j'en ai besoin et, si oui, quelle taille et où aller?

En règle générale, vous placez un condensateur de découplage chaque fois que possible, en choisissant la plus petite taille physique avec la valeur la plus grande, aussi proche que possible de la broche d'alimentation du CI.

Un registre à décalage d’accès parallèle 4 bits SN74195N utilisé avec un Arduino en aurait-il besoin? (Pour utiliser mon projet actuel comme exemple) Pourquoi ou pourquoi pas?

Cela fonctionnerait probablement bien, mais pourquoi s'embêter avec «probablement» si vous pouvez augmenter les chances en plaçant un composant qui coûte quelques centimes, voire un seul cent dans certains cas?

Presque tous les circuits intégrés devraient avoir un condensateur de découplage. Si rien n’indique rien dans la fiche technique, placez au minimum un capuchon en céramique de 0,1 µF près de la broche d’alimentation du CI, prévu pour au moins deux fois la tension que vous utilisez.

Beaucoup de choses nécessiteront plus de capacité en entrée. Vous pouvez souvent trouver ces recommandations dans des fiches techniques, des notes d'application ou des schémas de kit d'évaluation.

Supprimons un peu de magie sur les bouchons de dérivation, en améliorant le modèle de circuit; 7400 portes de la famille ressemblent à ceci:

Cette porte, disponible en 3-en-un-paquet, fournit un lecteur élevé (grande fanout) et une vitesse rapide. Dans un 74195, nous n'avons pas besoin de tout ce lecteur. Nous avons besoin de vitesse. Nous supposerons un shoot-thru de 2mA par porte (~ 15 portes par FF)

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Nous devons stocker suffisamment de frais pour 1uS d’activités de pointage très occupées. POURQUOI? Pourquoi utiliser 1uS? Parce que les gros condensateurs et les longs fils SONNERONT, et bouleverseront le VDD au niveau du CI, à moins d’être amortis. Quelle fréquence de sonnerie? 1uH et 1uF produisent 0,159 KHz. Comment amortir?

Utilisez Q = 1 [défini comme Q = ZL / R = 2 ( fring L / R)] et Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), nous trouvons Rdampen = sqrt (L / C). Pour 1uH et 1uF, besoin de ONE OHM.

Considérez ce circuit pour un bon contrôle de la sonnerie VDD:

^{simuler ce circuit}

Que nous dit Signal Chain Explorer sur cet amortissement de 1_ohm?

Surprise? L’ingénieur en logique doit également CONCEVOIR le filtrage VDD et l’atténuation VDD.

Pour répondre à votre question, le CC ne passe pas à travers le condensateur. La plupart des bruits sont des bruits couplés en courant alternatif ou / et ont des caractéristiques en courant alternatif, c'est-à-dire une commutation + - d'une valeur continue. Pour prendre en compte ces modifications, vous utilisez un condensateur DECOUPLING. Il court simplement les signaux AC. Il existe une foule abondante de notes sur l'application expliquant pourquoi et comment elles fonctionnent: http://www.analog.com/media/fr/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

En outre, le discours sur les condensateurs de lissage / réservoir - le mettre en place dans ce fil confond simplement les nouveaux arrivants en termes de terminologie.
Le lissage est fait pour créer une tension très constante. Par exemple, les sorties de certains capteurs / circuits dépendent proportionnellement de leur tension d'alimentation. Les ondulations dans l'offre affecteront directement leur sortie.

Le condensateur est un élément de stockage et il permettra d'économiser de l'énergie sous forme de charge. Pour en revenir au capuchon de découplage, il est également appelé condensateur de dérivation, car il contournera l’ondulation de l’alimentation et ce capuchon chargé tentera de maintenir une tension continue fixe sur la broche VDD.

Ils sont nécessaires pour réduire l'impédance du système de distribution d'énergie. Aux hautes fréquences, les alimentations présentent une impédance série non négligeable principalement due à l'inductance des réseaux d'alimentation. Jetez un coup d’œil à la section «Effondrement des rails dans l’intégrité de la puissance» de l’article suivant qui peut vous aider à comprendre l’idée: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/