Benötigen Chips wirklich mehrere Entkopplungskondensatoren in denselben Gehäusen?

Dies ist eine Frage, die ich mir von Zeit zu Zeit gestellt habe, und ich habe noch keine Antwort gefunden. Ich habe eine Simulation mit LTSpice durchgeführt, um eine Art Antwort zu erhalten. Ich habe ziemlich zufällig ein paar Kondensatoren von Murata ausgewählt: 4,7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html und 100nF https://psearch.en.murata.com/ Kondensator/Produkt/GRM152B31A104KE19%23.html

Ich habe die ESL für beide Caps auf 300p und ESR für 100 nF auf 30m und für 4,7 µF auf 8m eingestellt. Mit diesen Werten scheint ihre Impedanz ziemlich gut mit der in den Murata-Diagrammen übereinzustimmen. (Um genau zu sein, ist die ESL nicht genau gleich, aber sie ist nahe genug, sodass ich denselben Wert verwende.)

Ich habe mit nur 4,7 µF, 4,7 µF + 100 nF und 2 x 4,7 µF simuliert. Ich habe eine Induktivität von 1 nH zwischen den Kondensatoren hinzugefügt, um die Spur zu simulieren, die sie verbindet.

Die Ergebnisse sind interessant, aber nicht sehr unerwartet. Das Hinzufügen der 100 nF erhöht die Filterung, mit Ausnahme der Antiresonanzfrequenz. Das Hinzufügen von weiteren 4,7 µF hat den gleichen Effekt, außer dass keine Antiresonanz vorhanden ist. Die 100 nF arbeiten besser bei ihrer Eigenresonanzfrequenz, aber ihre Wirkung ist geringer als die verlorene Filterleistung der Antiresonanz. Auf dieser Grundlage würde ich einfach mehr größere Kondensatoren hinzufügen.

Aber wenn Sie zB ein Rauschproblem bei 30 MHz hatten, dann ist es sinnvoll, diesen 100-nF-Kondensator hinzuzufügen, weil er diese Frequenz gut filtert.

F1: Hilft dieser 470pF-Kondensator wirklich?

Bei seiner Resonanzfrequenz ist es. Wenn es bei dieser Frequenz kein Rauschen gibt, dann nicht so viel.

F2: Wäre es nicht sinnvoll, alle drei durch einen einzigen 1uF-Kondensator in einem 0201-Gehäuse zu ersetzen?

Es wäre wahrscheinlich besser, zwei 1-µF-0201-Kondensatoren hinzuzufügen. Wenn Sie dann bei einer bestimmten Frequenz auf Probleme stoßen, können Sie einen von ihnen in einen Kondensator mit SRF bei dieser Frequenz umwandeln. Sie könnten den anderen auch nicht zusammengebaut lassen, aber Kondensatoren sind billig, also warum sich die Mühe machen.

F3: Wenn Leute sagen, dass ein Kondensator mit höherem Wert bei höheren Frequenzen weniger nützlich ist, wie viel davon liegt an der Kapazität und wie viel an der erhöhten Gehäusegröße, die normalerweise mit größeren Kondensatoren verbunden ist?

Es kommt ziemlich auf die Packungsgröße an. Natürlich hilft wieder die höhere SRF, aber nur, wenn Sie bei dieser Frequenz Rauschen haben. Ansonsten ist es einfach besser, die größte Kapazität zu verdoppeln.

Unten sind die Frequenzeigenschaften der genauen Kondensatoren aufgeführt, die Lattice Semiconductor vorschlägt. Wie Sie sehen können, ist dieser 0306-Kondensator mit 1 µF den beiden kleineren Kondensatoren bei jeder Frequenz überlegen. Es schlägt sie sogar bei ihrer Resonanzfrequenz.

Das einzige brauchbare Argument für die Verwendung der 0201-Kondensatoren zusätzlich zum 0306 ist, dass die kleinere Größe es ermöglicht, sie näher an der Last zu platzieren, wodurch die PCB-Induktivität reduziert wird.

Quelle: https://www.murata.com/en-us/search/productsearch/compare?cate=luCeramicCapacitorsSMD&comp=GRM033R71C103KE14%23,GRM033R71C471KA01%23,LLL185C70G105ME01%23

Die Antwort ist einfach:

• Es gibt keine dielektrischen 10-nF-NP0- Kondensatoren in der Größe 0201.

Die maximale Kapazität für diese beträgt etwa 1nF. Also braucht man entweder ein größeres Gehäuse oder man muss beim X7R-Dielektrikum bleiben, das sich bei >10MHz nicht so gut verhält.

Lesen Sie die doppelte Antwort für die ganze Theorie, aber hier ist eine gute Faustregel:

Die Kondensatoren mit größerem Wert sind bei höheren Frequenzen weniger effektiv, und natürlich sind die Kondensatoren mit kleinerem Wert bei einer niedrigeren Frequenz nicht effektiv.

Die unterschiedlichen Kondensatoren stabilisieren also jeweils ein unterschiedliches Frequenzband. Abhängig von Ihrer Anwendung und der Menge an „Rauschen“, die sie bei unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, müssen Sie Kondensatoren mit bestimmten Werten verwenden, um den Leistungsbus zu stabilisieren.

Eine allgemeine Regel ist mindestens 1-10 uF plus 100 nF, aber das obige Beispiel sieht für eine Schaltung mit hoher Taktrate ganz gut aus. Für Audioanwendungen möchte man etwas Ähnliches, aber mit viel höherem Wert, um die Anforderungen an den Energiebus mit Musikfrequenzen zu unterstützen.

Q1: Ja, es unterdrückt hochfrequente Schwingungen und Rauschen. F2: Nein, Sie haben möglicherweise ein Problem mit hochfrequentem Rauschen.

PS: Die kleinen Kondensatoren sollten am nächsten zu den IC-Pins platziert werden, um die Induktivität zwischen den Kondensator-Pins und den IC-Pins zu minimieren. Die Kondensatoren mit größerem Wert können bei Bedarf weiter entfernt platziert werden.

Das Parallelschalten von zwei verschiedenen Arten von Kondensatoren, z. B. einem Elektrolyt- und einem Keramikkondensator, sorgt für eine niedrige Impedanz über einen viel breiteren Frequenzbereich.

Elektrolyte haben eine erhebliche Induktivität. Ihre Impedanz bei hohen Frequenzen reicht oft nicht aus, um einen Chip zu umgehen. Ein Keramikkondensator im Bereich von etwa 0,01 bis 0,1 uF hat typischerweise eine niedrige Impedanz im Bereich von mehreren zehn Megahertz.

Ich verwende Operationsverstärker in linearen Schaltungen. Operationsverstärker oszillieren und/oder zeigen ein sehr schlechtes Einschwingverhalten, wenn sie nicht richtig umgangen werden. Ich löte einen 0,1 uF/50V Keramikkondensator direkt an die Stromversorgungsleitungen des Chips auf der Unterseite der Platine. Der Elektrolytkondensator wird gemäß den Belastungsanforderungen an den Chip ausgewählt; Üblich sind 1 bis 100 uF. Der Elektrolyt sollte so nah wie möglich am Chip sein, aber 20-30 mm sind normalerweise akzeptabel, wenn nötig.