Warum benötigen Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren keine Widerstände, um ihre Funktion zu erfüllen, wie normale Filter?

Ich würde nicht an einen Entkopplungskondensator als Filter in der von Ihnen beschriebenen Weise denken. Wie bei einem RC-Filter wie diesem, bei dem die Quelle des Rauschens die Stromversorgung ist und Ihre "Entkopplungs" -Kondensatoren dabei helfen, das herauszufiltern, bevor es Ihren Chip erreicht.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Es verhindert nicht, dass Rauschen zu Ihrem Chip gelangt, wie es ein kleiner PI-Filter tun könnte, es hilft Ihrem Chip, kein Rauschen zu erzeugen :) Sie haben einen Chip und er wird dynamische Stromanforderungen haben, die sich im Laufe der Zeit ändern. Mit anderen Worten, während Ihr Chip seine Arbeit macht, zieht er Strom bei verschiedenen Frequenzen, um zu sagen, dass er seine Transistoren schaltet.

In einer idealen Welt hätten Sie jetzt nur eine ideale Stromversorgung ohne Impedanz zwischen ihr und Ihrem Chip. Ihr Chip könnte so viel Strom ziehen, wie er wollte, bei jeder gewünschten Frequenz, und ein Teil meiner Arbeit würde viel einfacher werden;)

In Wahrheit gibt es parasitäre Komponenten, insbesondere parasitäre Induktivitäten, die die Strommenge begrenzen, die Sie bei einer bestimmten Frequenz mit einem bestimmten Spannungsabfall ziehen können. Die Impedanz dieser parasitären Induktivitäten steigt mit der Frequenz, sodass Sie irgendwann keine nennenswerte Strommenge mehr ziehen können. Ihr Chip möchte wahrscheinlich in einem bestimmten Bereich liegen, z. B. 1,8 V +/- 0,5%. Er wurde entwickelt und zeitlich begrenzt, um in diesem Bereich zu funktionieren. Wenn Sie nicht den richtigen Pfad mit niedriger Impedanz für alle seine Anforderungen bereitstellen, kann dies dazu führen, dass die Spannung beispielsweise außerhalb dieses Bereichs abfällt, was zu einem unerwünschten Betrieb führen kann.

Hier ist ein schönes Bild eines Stromverteilungsnetzes von Altera. Es umfasst den Spannungsregler und seine Quellenimpedanz, Entkopplungskappen und einige Gehäuseparasiten.

Wenn Sie einfach losgehen und eine Platine ohne Entkopplungskappen entwerfen würden, müssten Sie jedes Mal, wenn Sie Strom benötigen, diese sehr hochohmige Verbindung von Ihrem Chip über die Platine und zurück zum Regler und hoffentlich zu seiner Masse durchlaufen Kondensatoren. Das funktioniert gut für niedrige Frequenzen, aber wenn Ihre Frequenz zunimmt, bedeutet diese parasitäre Induktivität, dass auch die Impedanz zwischen Ihnen und Ihrer Stromversorgung zunimmt. Sie wissen aus dem Ohmschen Gesetz, dass, wenn Sie den Stromfluss konstant halten, aber den Widerstand (in unserem Fall die Impedanz) erhöhen, der Spannungsabfall über dieser Impedanz ebenfalls zunehmen muss. Um dem entgegenzuwirken und die Impedanz des pdn zu senken, verwenden wir Entkopplungskondensatoren. In einem PDN nennen wir diese Spannungswelligkeit,

Betrachten wir als Beispiel nur eine Frequenz, sagen wir 100 MHz. Nehmen wir dann an, Sie haben überhaupt keine Entkopplung verwendet und sich entschieden, 1 Ampere bei 100 MHz zu ziehen. Aber die Impedanz von der Stromversorgung über die Induktivität der Ebenen und möglicherweise die Bulk-Kappen zum Chip beträgt 1 Ohm bei 100 MHz. Das bedeutet, dass Sie an dieser Impedanz einen Spannungsabfall von 1 V erhalten. Wenn Sie eine Stromversorgung hätten, die bei 1,8 V beginnt und auf 0,8 V abfällt, wenn Ihr Chip sie benötigt, würden Sie in Schwierigkeiten geraten.

Stellen Sie sich jetzt das gleiche Szenario vor, nachdem wir eine Reihe von Entkopplungskappen hinzugefügt haben. Dadurch wird die Impedanz des Stromversorgungsnetzwerks auf beispielsweise 0,05 Ohm reduziert. Jetzt sehen Sie für dieselbe 1A-Entnahme nur einen Spannungsabfall von 50 mV, was eine viel erträglichere Zahl ist.

Sie können im Bild unten die zwei verschiedenen Szenarien aus einer einfachen Spice-Simulation des obigen sehen. Das Grün ist die Impedanz für die Platine ohne Kondensatoren, und das Blau ist, nachdem mehrere Entkopplungskondensatoren mit unterschiedlichen Werten hinzugefügt wurden.

Ab hier wird es tatsächlich glücklicherweise komplizierter, Sie ziehen nicht einfach Strom bei 100 MHz, sondern bei einer Reihe von Frequenzen, und Sie wissen oft nicht, was sie vom Chiphersteller sind. Stattdessen entwerfen Sie für eine Reihe von erwarteten Werten. Altera hat ein nettes Papier, das es ausführlicher erklärt, und es gibt viele Bücher darüber.

Hoffentlich hilft das etwas, ich denke, Sie können aus dem Obigen ersehen, dass das Hinzufügen von mehr Impedanz zu Ihren Kondensatoren sie weniger effektiv machen würde (naja, es gibt einige Streitigkeiten über Dämpfung ...). Wenn Sie sich das Altera-Bild genau ansehen, sehen Sie die parasitären Induktivitäten und Widerstände, die Teil eines realen Kondensators und seiner Befestigung sind. Leute, die Highspeed-Boards entwerfen, bei denen die Entkopplung wirklich wichtig wird, verbringen viel Zeit damit, diese im Layout zu minimieren und Komponenten mit den niedrigsten parasitären Werten auszuwählen.

Du hast grundsätzlich recht. Da wird ein Entkopplungskondensator benötigt

• die Leiterbahn von der Stromquelle zum verbrauchenden Chip verhält sich wie eine Induktivität
• Die Stromquelle selbst ist nicht unendlich schnell, sie verhält sich mehr oder weniger wie eine ideale Stromquelle mit einer kleinen Serieninduktivität

der/die Entkopplungskondensator(en) und diese Induktivitäten bilden ein Tiefpass-/Hochsperrfilter. Oder anders ausgedrückt, sie stabilisieren die Spannung, die der verbrauchende Chip erhält.

Nicht nur Kupferspuren, alle parasitären Widerstände: Eingangsimpedanz der Stromsenke, Ausgangsimpedanz der Quelle usw. (hängt von den untersuchten Frequenzen ab)

Tatsächlich ist bei einem perfekten System der Vorwiderstand selbst Null. Gleichspannungen werden also nicht übertragen, während Wechselspannungen perfekt übertragen werden (wie ein Kurzschluss). Es ist nicht wie bei einem Standardfilter, bei dem Sie eine Frequenz berechnen, sondern es geht vielmehr darum, Ihr System vom Gleichstromteil der Quelle zu entkoppeln. Und in einem normalen Hochpassfilter haben Sie einen Widerstand, der mit Masse verbunden ist, keine Vorwiderstände.

Dies wird nicht verwendet, um eine bestimmte Frequenz zu filtern, sondern nur das Signal (Wechselstromteil) zu übertragen. Deshalb heißt er Entkopplungskondensator.