Warum zu viele Kondensatoren parallel für das Vdd-Versorgungsnetz? Können wir nicht einfach alles hinzufügen, um es durch einen großen Kondensator zu ersetzen?

Kappen befinden sich in der Nähe jedes digitalen ICs oder eines kleinen Satzes solcher ICs, um als lokale Reservoirs zu fungieren, um die schnell schwankenden Stromanforderungen solcher ICs auszugleichen. Dadurch wird verhindert, dass diese schnell schwankenden Ströme schwankende Spannungen auf längeren Versorgungsdrähten (PCB-Leiterbahnen) verursachen und möglicherweise andere Chips stören, die mit diesen Versorgungsdrähten verbunden sind.

In einigen Fällen sehen Sie auch eine große Kappe parallel zu einer kleinen Kappe direkt daneben. Die große Kappe bietet ein großes Reservoir, hat aber einen erheblichen Innenwiderstand und reagiert daher nicht so schnell wie eine kleine Kappe. Zusammen können die beiden Kappen also schnell ansprechen und ein großes Reservoir bereitstellen.

Echte Kondensatoren haben sowohl einen gewissen Innenwiderstand als auch eine Induktivität in Reihe mit ihrer "idealen" Kapazität. Die Auswirkungen sind bei Kondensatoren mit größerem Wert größer und variieren je nach Material und Konstruktion des Kondensators. Für die aktuelle Diskussion verlangsamen diese beiden nicht idealen Eigenschaften die Geschwindigkeit, mit der der Kondensator reagieren kann.

Eine gute Diskussion findet sich hier: http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/21.html

Ein zusätzlicher Artikel zum Platinenlayout für Hochgeschwindigkeits-Digital: http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf

Diese Kappen werden als „Entkopplungs“-Kondensatoren verwendet. Obwohl sie so aussehen, als wären sie alle nebeneinander, befinden sie sich (oft paarweise) auf der Leiterplatte neben den Stromanschlüssen digitaler ICs.

Im Gegensatz zu analogen Schaltungen verbraucht eine digitale Schaltung Strom in kurzen, schnellen Bursts. Alle Leiterbahnen oder Drähte haben eine gewisse Induktivität, die verhindert, dass sich der Strom so schnell ändert, wie es der IC benötigt. Dies verursacht zwei Probleme: Die Spannung am Eingangspin schwankt, und der sich schnell ändernde Strom bewirkt, dass die Leiterbahnen elektrisches Rauschen ausstrahlen.

Ein Entkopplungskondensator erfüllt zwei Hauptfunktionen:

1. Die erste Funktion besteht darin, diese beiden Probleme zu verhindern. Es fungiert als kleiner Leistungspuffer direkt am IC und kann die notwendigen schnell schwankenden Ströme liefern. Da sie sich direkt neben den IC's befinden, gibt es keine langen Leiterbahnen, die als Rauschgenerator wirken könnten.

2. Die zweite Funktion besteht darin, als Filter zu fungieren und Rauschen zu dämpfen, das von der Außenseite des Chips gesehen wird. Hier kommen die Mehrfachwerte von Kondensatoren ins Spiel. Die Kondensatoren haben auch eine kleine parasitäre Induktivität. Jeder hinzugefügte Kondensator erzeugt einen LC-Filter. Jeder unterschiedliche Kondensatorwert filtert in Kombination mit der parasitären Induktivität einen anderen Frequenzbereich. Es ist üblich, an jedem Stromanschluss 100 pF neben einer 0,1 uF-Kappe zu sehen. Diese Kombination hat eine günstige Filterbandbreite.

Auch wenn Sie also einen großen Kondensator verwenden könnten, der der Nennkapazität des Busses entspricht, würden Sie die Entkopplungsvorteile verlieren.

Diese FPGAs decken einen breiten Frequenzbereich im Bereich von 500 kHz bis 500 MHz ab. Um also die Stromversorgungsimpedanz von ms auf ns flach zu halten, wird eine parallele Kombination von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten in einer geeigneten Mischung verwendet. Der Wert ist nicht sehr kritisch und liegt normalerweise im Bereich von 0,001 μF bis 4,7 μF, aber die Kombination von Werten hilft, die Impedanz niedrig zu halten und Resonanzspitzen zu vermeiden (z. B. ein Wert pro Dekade). Die Niederfrequenzkondensatoren ( mit höherem ESR) und sie haben eine gute Leistung in einem breiteren Frequenzbereich, sodass keine Kombination erforderlich ist. Typische Werte liegen zwischen 470 μF und 1000 μF.

Es ist also normal, bis zu 50 Kondensatoren im Footprint eines FPGAs oder in der Umgebung zu sehen, wie 1 x 680 μF, 7 x 2,2 μF, 13 x 0,47 μF und 26 x 0,047 μF

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