Was ist ein Entkopplungskondensator und woher weiß ich, ob ich einen brauche?

Ich war derjenige, der diese Frage gestellt hat. Hier ist mein rudimentäres Verständnis:

Sie schließen Kondensatoren an$V_{CC}$/GND, um zu versuchen, die Spannung konstanter zu halten. Unter einem Gleichstromkreis wirkt ein Kondensator als offener Stromkreis, sodass es dort kein Problem mit Kurzschlüssen gibt. Während Ihr Gerät eingeschaltet wird ($V_{CC}$=5V) wird der Kondensator voll aufgeladen und wartet bis sich die Spannung dazwischen ändert$V_{CC}$und GND ($V_{CC}$=4,5 V). An diesem Punkt entlädt sich der Kondensator, um zu versuchen, die Spannung wieder auf das Ladeniveau innerhalb des Kondensators (5 V) zu bringen. Dies wird "Glättung" genannt (oder zumindest nenne ich es so), weil die Spannungsänderung weniger ausgeprägt sein wird.

Letztendlich kehrt die Spannung durch einen Kondensator niemals auf 5 V zurück, sondern der Kondensator entlädt sich, bis die Ladung in ihm gleich der Versorgungsspannung ist (bis zu einem Gleichgewicht). Ein ähnlicher Mechanismus ist für die Glättung von if verantwortlich$V_{CC}$steigt zu weit über seinen Durchschnitt ($V_{CC}$=5,5 V vielleicht).

Warum Sie sie brauchen, sind sie in digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen sehr wichtig. Ich kann mir nicht vorstellen, dass Sie einen für einen SN74195 brauchen würden, aber es kann nicht schaden!

Netzteile sind langsam ... sie brauchen ungefähr 10 us, um zu reagieren (dh Bandbreite bis zu 100 kHz). Wenn Ihr großer, schlechter Multi-MHz-Mikrocontroller also eine Reihe von Ausgängen von hoch auf niedrig schaltet, zieht er aus der Stromversorgung, wodurch die Spannung zu sinken beginnt, bis er erkennt (10 us später!), dass er etwas tun muss Spannungsabfall zu korrigieren.

Um langsame Stromversorgungen auszugleichen, verwenden wir Entkopplungskondensatoren. Entkopplungskondensatoren fügen einen schnellen "Ladungsspeicher" in der Nähe des IC hinzu. Wenn Ihr Mikro also die Ausgänge schaltet, zieht er zuerst von den Kondensatoren, anstatt Ladung aus der Stromversorgung zu ziehen. Dies verschafft dem Netzteil etwas Zeit, um sich an die sich ändernden Anforderungen anzupassen.

Die "Geschwindigkeit" von Kondensatoren variiert. Grundsätzlich sind kleinere Kondensatoren schneller; Die Induktivität ist tendenziell der limitierende Faktor, weshalb jeder empfiehlt, die Kappen so nah wie möglich an VCC/GND mit den kürzesten und breitesten Kabeln zu platzieren, die praktikabel sind. Wählen Sie also die größte Kapazität im kleinsten Gehäuse, und sie liefern so schnell wie möglich die meiste Ladung.

Wird normalerweise als "Bypass-Kappe" bezeichnet, da das hochfrequente Rauschen den IC umgeht und direkt zur Masse fließt, oder als " Entkopplungskappe ", weil sie verhindert, dass die Stromaufnahme eines ICs in die Stromversorgung eines anderen ICs einkoppelt.

"Woher weiß ich, ob ein bestimmter Chip einer ist?"

Gehen Sie einfach davon aus, dass sie alle tun. :) Wenn ein Chip zeitweise Strom zieht, wird die Versorgungsspannung zeitweise abfallen. Wenn ein anderer Chip "nachgeschaltet" ist, sieht er dieses Rauschen an seinen Stromanschlüssen. Wenn es schlimm genug ist, kann es Fehler oder Rauschen oder was auch immer verursachen. Also setzen wir im Allgemeinen Bypass-Kappen auf alles, "stromaufwärts" vom IC. (Ja, die Ausrichtung der Leiterbahnen und die Positionen der Komponenten sind wichtig, da Kupfer kein perfekter Leiter ist.)

Ein Glättungskondensator (auch bekannt als Entkopplungskondensator ) wird verwendet, um die Änderung der Versorgungsspannung zu reduzieren. Wenn Sie hohe Ströme aus Ihrer Stromversorgung ziehen (z. B. wenn eine digitale Logik den Zustand umschaltet), sehen Sie eine Änderung der Versorgungsspannung. Beim Schalten wird versucht, große Momentanströme zu ziehen, und es entsteht ein Spannungsabfall aufgrund der Impedanz der Spannungsquelle und der Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem IC. Ein Entkopplungskondensator hilft, die Versorgungsspannung am Gerät aufrechtzuerhalten (bzw. zu glätten). Das Platzieren dieses Speicherelements in der Nähe des IC verringert die Spannungsänderung am IC.

Wenn Sie nicht die Versorgungsspannung an jedem IC messen, wenn der IC seine maximalen Schaltströme zieht, ist es schwierig zu sagen, wie effektiv der Kondensator sein wird. Für die meisten digitalen Geräte ist die Empfehlung 0,1 uF Keramik sehr nahe am Gerät. Da die Kondensatoren klein und kostengünstig sind, fügen die meisten Designer einfach die Kondensatoren hinzu. Wenn ich zwei logische Geräte habe, die sehr nahe beieinander liegen, können Sie manchmal einen einzelnen Kondensator zwischen zwei ICs ausrichten. Dies ist normalerweise nicht der Fall.

Stromversorgungs-ICs haben größere Anforderungen an Glättungskondensatoren, da die Schaltströme größer sind. Für diese Geräte müssen Sie sich die Welligkeitsanforderungen der Anwendung genauer ansehen, um den geeigneten Filterkondensator zu bestimmen.

Nur um mehr über EM-Emissionen hinzuzufügen.

Die meisten Unternehmen empfehlen 0,1 uF-Kappen für jeden Leistungseingang. Denken Sie daran, dass dies nur das absolute Minimum ist, das erforderlich ist, um Spannungseinbrüche zu vermeiden, die den Betrieb beeinträchtigen könnten. Wenn Sie eine Leiterplatte bauen, die FCC Teil 15 für Emissionen bestehen muss, müssen Sie noch weiter gehen.

Letztendlich müssen Sie die gesamte Kapazität berechnen, die auf der Stromversorgungsebene benötigt wird, basierend auf dem PCB-Design und dem Stromverbrauch. Eine allgemeine Faustregel, die ich als Ausgangspunkt verwende, ist eine 10-uF-Tantalkappe pro Haupt-IC (Mikrocontroller, ADC, DAC usw.) und dann eine 0,1-uF- und eine 10-nF-Kappe an jedem Stromanschluss auf jedem IC. Die 10-nF-Kappen müssen klein sein – vorzugsweise 0402 oder höchstens 0603 –, um zu vermeiden, dass die Leitungsinduktivität des Gehäuses die Wirkung des Kondensators zunichte macht.

Ich kann dieses Buch wärmstens empfehlen , wenn Sie vorhaben, in digitales Hochgeschwindigkeitsdesign einzusteigen, wobei Hochgeschwindigkeit wirklich alles über 1 MHz bedeutet.

Fragen im Zusammenhang mit der Entkopplung scheinen in letzter Zeit häufig aufzutauchen. Eine ausführliche Antwort habe ich hier gegeben: Entkopplungskappen, Platinenlayout

Das spricht über Entkopplungsprobleme und Layout. Glättung der Stromversorgung ist eine ganz andere Sache. Dies erfordert im Allgemeinen größere Kappen, die in der Lage sein müssen, eine angemessene Energiemenge zu speichern, da die Welligkeitsfrequenz der Stromversorgung viel niedriger ist als die Frequenzen, für die Entkopplungskappen vorgesehen sind.

Ich möchte einen Punkt von jluciani hervorheben. Es ist sehr wichtig, den Kondensator so nah wie möglich am Leistungseingang des Chips zu platzieren. Dies kann dazu beitragen, jegliches Rauschen zu eliminieren, das irgendwo anders eingeführt wird, entweder in Ihrem Schaltkreis, von der Stromversorgung, oder sogar ein gewisses Rauschen, das von einer Quelle außerhalb Ihrer Platine abgestrahlt wird.

jluciani hat Recht, dass 0,1 uF sehr häufig neben ICs platziert werden. Stellen Sie sich die Kapazität einfach so vor, wie viel Ladung der Kondensator halten kann. Je größer die Kapazität, desto mehr Ladung hält er. Wenn Sie Kondensatoren parallel schalten, fügen Sie mehr Kapazität hinzu, was zu einer höheren effektiven Kapazität führt.

Was Ihre Frage angeht, ob dieser Chip es braucht oder nicht, würde ich sagen, es würde nicht schaden. Das Datenblatt gibt normalerweise an, ob der Chip Entkopplungskondensatoren (auch bekannt als Glättungskondensatoren) benötigt und wenn ja, wie hoch der empfohlene Wert ist.

Nur um ein paar Punkte zu den anderen Antworten hinzuzufügen:

Um die Auswirkungen der Stromspitzen auf die Versorgungsspannung zu messen, benötigen Sie ein schnelles Oszilloskop. Es hängt von der Geschwindigkeit der Schaltungen ab, aber ich denke, Sie benötigen eine Bandbreite von 200 MHz bis 1 GHz.

Auch wenn der Stromversorgungskreis, der die Stromspitzen führt, groß ist, führt dies zu Funkemissionen, was aus verschiedenen technischen und rechtlichen Gründen verpönt ist. Ein Bypass-Kondensator wirkt wie eine Abkürzung für diese Spitzen, sodass viel weniger Emissionen auftreten.

Bypass-Kappen sind so günstig, dass es in vielen Fällen keinen Grund gibt, sie nicht überall einzusetzen. Wenn Platz oder Kosten jedoch extreme Probleme sind, kann es sinnvoll sein, einige wegzulassen. Der Schlüssel ist zu erkennen, was passieren kann, wenn sie weggelassen werden. Mein Vorschlag wäre, ein Worst-Case-Szenario anzunehmen, wenn sie ausgeschaltet werden: (1) Die HF-Strahlung bei der Eingangsschaltfrequenz kann erhöht werden, und (2) jedes Mal, wenn ein Eingang umschaltet, nehmen Sie die Ausgänge und den internen Zustand des Geräts an kann willkürlich gelitten werden. Wenn eines dieser Verhaltensweisen ein Problem darstellen würde, sind Umgehungskappen erforderlich. Wenn beides kein Problem wäre (z. B. weil keiner der Eingänge oft genug schaltet, damit die Strahlung ein Problem darstellt, hat das Gerät keinen internen Zustand,

Im Allgemeinen werden einige oder viele ICs, Transistoren oder Ventile (Röhren) an dieselbe Stromversorgung angeschlossen. Wenn ein Gerät in diesen Situationen arbeitet, zieht es entsprechend dem durch es hindurchgehenden Signal unterschiedliche Strommengen aus der Stromversorgung. Da Netzteile nicht perfekt sind, führt der schwankende Strom dazu, dass auf den Versorgungsschienen eine schwankende Spannung erscheint. Alle anderen Geräte, die an dieselbe Stromversorgung angeschlossen sind, spüren dann diese Spannung, dh. ein Rauschsignal wird in sie eingekoppelt. Dies kann zu Instabilität in analogen Schaltungen oder zu Fehlschaltungen in digitalen Schaltungen führen. Durch das Platzieren von Entkopplungskondensatoren an den oben beschriebenen Punkten wird die Versorgungsspannung stabiler und die Geräte werden voneinander entkoppelt.

Oft wird im Datenblatt des Chips ausdrücklich angegeben, wie viele Kondensatoren in welcher Größe verwendet werden sollen. Wenn dies nicht der Fall ist, empfiehlt es sich, eine 1- uF -Kappe an den Stromversorgungsstiften jedes Chips sowie eine größere Kappe irgendwo auf der Platine anzubringen. (Vor 2001 verwendete Best Practice 0,1 uF-Kappen).

ps: hast du mal überlegt einen 74HC595 oder 74HC166 anstelle des 74195 zu verwenden? Ich vermute, das würde genauso gut funktionieren und einige Pins auf Ihrem Arduino freigeben.

Die Leute geben normalerweise eine Erklärung, wenn sie gefragt werden, was die Funktion von Entkopplungskondensatoren ist, aber die Wahrheit ist, dass sie mehrere Aufgaben erfüllen.

Hier ist die Liste der Dinge, die mir bekannt sind:

Sie reduzieren den Ground Bounce

Ground Bounce ist ein Phänomen, bei dem eine sich ändernde Spannungsdifferenz über der Masseebene (meistens) analoge und (manchmal) digitale Signale negativ beeinflusst. Bei analogen Signalen, wie beispielsweise Audio, kann sich dies in Form von hohem Rauschen äußern. Bei digitalen Signalen könnte dies fehlende / verzögerte / gefälschte Signalübergänge bedeuten.

Die sich ändernde Spannungsdifferenz wird durch die Erzeugung und den Zusammenbruch von Magnetfeldern verursacht, die durch sich ändernde Stromflüsse verursacht werden.

Je länger der Weg des Stromflusses ist, desto höher ist die damit verbundene Induktivität und desto schlimmer wird das Masseprellen. Mehrere Stromflusspfade verschärfen das Problem ebenso wie die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom ändert.

Stromfluss findet offensichtlich zwischen einem Netzteil und einem angeschlossenen IC statt, etwas weniger offensichtlich aber auch zwischen „kommunizierenden“ ICs. Der mit zwei ICs verbundene Stromfluss sieht so aus; Stromversorgung -> IC 1 -> IC 2 -> Masse -> Stromversorgung.

Ein Entkopplungskondensator verringert effektiv die Länge eines Strompfads, indem er als Stromquelle fungiert und dadurch die Induktivität und damit das Erdungsprellen verringert.

Das vorherige Beispiel wird; Kappe -> IC 1 -> IC 2 -> Masse -> Kap

Sie halten die Spannungspegel stabil

Es gibt zwei Gründe, warum Spannungspegel schwanken:

• Die Spur-/Drahtinduktivität verringert die maximale Änderungsrate des Stroms durch diese Spur/Draht; ein plötzlicher Anstieg des Strombedarfs führt zu einem Spannungsabfall; Ein plötzlicher Rückgang des Strombedarfs führt zu einer Spannungsspitze.
• Stromversorgungen (insbesondere Schaltnetzteile) brauchen Zeit, um zu reagieren, und bleiben leicht hinter der aktuellen Nachfrage zurück.

Ein Entkopplungskondensator glättet den Strombedarf und reduziert Spannungsabfälle oder Spannungsspitzen.

Sie KÖNNEN EMI (Übertragung) reduzieren

Wenn wir von elektromagnetischen Störungen sprechen, beziehen wir uns entweder auf die Übertragung unbeabsichtigter elektromagnetischer Störungen oder auf den Empfang beabsichtigter oder unbeabsichtigter elektromagnetischer Signale, die die Funktion Ihres Geräts stören. Typischerweise bezieht es sich auf die Übertragung selbst.

Die Platzierung von (Entkopplungs-)Kondensatoren zwischen Leistungs- und Masseebene ändert den Übertragungskoeffizienten über einen Bereich von Frequenzen. Anscheinend ist die Verwendung von nur einem Wert für Ihre Kondensatoren für die gesamte Leiterplatte sowie verlustbehaftete / hochohmige Kondensatoren der richtige Weg, wenn Sie EMI reduzieren müssen, dies widerspricht jedoch der gängigen Praxis (die eine zunehmende Kapazitätsordnung befürwortet, je näher Sie sind). zum Netzteil). Die meisten Menschen beschäftigen sich nicht wirklich mit EMI, wenn sie Schaltungen für ihr Hobby herstellen (obwohl Funkamateure dies normalerweise tun), aber es wird unvermeidlich, wenn Sie eine Schaltung für die Massenproduktion entwerfen.

Ein (Entkopplungs-)Kondensator KANN die unbeabsichtigte elektromagnetische Strahlung reduzieren, die von Ihrer Schaltung erzeugt wird.

Um deine restlichen Fragen zu beantworten..

Woher weiß ich, ob ich einen brauche und wenn ja, in welcher Größe und wo er hingehört?

In der Regel platzieren Sie nach Möglichkeit einen Entkopplungskondensator und wählen die kleinste physikalische Größe mit dem größten Wert so nah wie möglich am Stromversorgungsstift des IC.

Würde ein 4-Bit-Parallelzugriffs-Schieberegister SN74195N, das mit einem Arduino verwendet wird, eines benötigen? (Um mein aktuelles Projekt als Beispiel zu verwenden) Warum oder warum nicht?

Es würde wahrscheinlich gut funktionieren, aber warum sich mit „wahrscheinlich“ herumschlagen, wenn Sie die Chancen erhöhen können, indem Sie eine Komponente platzieren, die ein paar Cent kostet, in einigen Fällen sogar einen einzigen Cent?

Lassen Sie uns etwas von der Magie der Bypass-Kappen wegnehmen, indem wir das Schaltungsmodell verbessern; 7410 (Triple NAND) Family Gates sehen so aus:

mit Durchschussstrom (ohne Berücksichtigung von Strömen durch 4 kOhm und 1,6 kOhm) berechnet als

Dieses Gate, erhältlich als 3-in-1-Paket, bietet hohe Ansteuerung (großes Fanout) und hohe Geschwindigkeit. In einem 74195 brauchen wir diesen ganzen Antrieb nicht. Wir brauchen Geschwindigkeit. Wir gehen von einem 2mA-Shoot-Thru pro Gate aus (~~15 Gates pro FF)

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

Wir müssen genug Ladung für 1 uS geschäftige Taktungsaktivität speichern. WIESO DEN? Warum 1uS verwenden? Weil große Kondensatoren und lange Drähte RINGEN und die VDD am IC stören, wenn sie nicht gedämpft werden. Welche Ruffrequenz? 1 uH und 1 uF erzeugen 0,159 KHz. Wie dämpfen?

Verwenden Sie Q=1 [definiert als Q = ZL/R = 2(pi Fring L/R) ] und Fring = 1/2*pi sqrt(L C), finden wir Rdampen = sqrt(L/C). Für 1 uH und 1 uF benötigen Sie EIN OHM.

Betrachten Sie diese Schaltung für eine gute Kontrolle des VDD-Klingelns:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Was sagt uns der Signal Chain Explorer über diese 1_Ohm-Dämpfung?

Überraschung? Der Logikingenieur muss auch die VDD-Filterung und die VDD-Dämpfung ENTWERFEN.

So ziemlich jeder IC sollte einen Entkopplungskondensator haben. Wenn im Datenblatt nichts angegeben ist, platzieren Sie mindestens eine 0,1-uF-Keramikkappe in der Nähe des Stromanschlusses des IC, die für mindestens die doppelte Spannung ausgelegt ist, die Sie verwenden.

Viele Dinge erfordern mehr Kapazität am Eingang. Sie finden diese Empfehlungen oft in Datenblättern, App-Notizen oder Diagrammen von Evaluierungskits.

Um Ihre Frage kurz zu beantworten: DC geht nicht durch den Kondensator, AC tut es. Das meiste Rauschen ist AC-gekoppeltes Rauschen oder/und hat AC-Eigenschaften, dh Schalten +- einiger DC-Wert. Um diese Änderungen aufzunehmen, verwenden Sie einen Entkopplungskondensator. Es schließt einfach AC-Signale kurz. Es gibt eine Fülle großartiger App-Hinweise darüber, warum und wie sie funktionieren: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Auch die Rede von Reservoir-/Glättungskondensatoren - die in diesem Thread angesprochen werden - verwirrt Neulinge nur in Bezug auf die Terminologie.
Die Glättung wird durchgeführt, um eine sehr konstante Spannung zu erzeugen. Beispielsweise sind die Ausgänge einiger Sensoren/Schaltkreise proportional zu ihrer Versorgungsspannung abhängig. Schwankungen in der Versorgung wirken sich direkt auf ihre Ausgabe aus.

Sie werden benötigt, um die Impedanz des Stromversorgungssystems zu senken. Bei hohen Frequenzen weisen Stromversorgungen hauptsächlich aufgrund der Induktivität der Stromnetze eine nicht vernachlässigbare Serienimpedanz auf. Werfen Sie einen Blick auf den Abschnitt „Rail Collapse in Power Integrity“ des folgenden Artikels, der Ihnen helfen kann, die Idee zu verstehen: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/

Der Kondensator ist ein Speicherelement und spart Energie in Form von Ladung. Um auf die Entkopplungskappe zurückzukommen, sie wird auch als Bypass-Kondensator bezeichnet, da sie die Versorgungswelligkeit umgeht und diese geladene Kappe versucht, eine feste Gleichspannung am VDD-Pin aufrechtzuerhalten.