Откуда взялась величина 0,1 мкФ для байпасных конденсаторов?

Почти каждый рекомендует 0,1 мкФ для байпасных конденсаторов. Почему это значение? Я предполагаю, что использование больших значений не повредит, так что это просто «разумный минимум»? И если так, то почему люди выбирают минимум, а не используют более высокие значения - мне кажется, вы можете получить более высокие значения без дополнительных затрат.

Конденсаторы с более высоким значением не будут столь эффективны при работе с высокочастотным током, потребляемым микросхемой. Выше определенной частоты конденсатор начнет вести себя как индуктор. Значение, при котором изменяется его характеристика, является последовательным собственным резонансом устройства:

Таким образом, вы обнаружите, что на микроволновых устройствах конденсаторы на 100 пФ также присутствуют в качестве развязки наряду с объемными конденсаторами. Вот пример трех конденсаторов, разделяющих ПЛИС:

Черная кривая - суммарное сопротивление всех трех используемых конденсаторов. Взято отсюда .

Откуда взялась величина 0,1 мкФ для байпасных конденсаторов?

Это хороший компромисс между объемной и высокочастотной емкостью, НО, если вы проектируете радиоприемники, ваш развязывающий элемент по умолчанию может быть 10 нФ или 1 нФ (UHF). Если вы проектируете действительно высокоскоростной цифровой материал, вы также можете использовать 2 или 3 различных значения параллельно, как на картинке FPGA выше.

Не все рекомендуют 0.1 мкФ в качестве развязывающего конденсатора, хотя это хорошая отправная точка для 74HC и логики с одним затвором. Ответ Кевегаро здесь хороший.

Например, для ПЛИС Xilinx есть одна рекомендация для байпасных конденсаторов:

Они рекомендуют 33 конденсатора трех разных значений на устройство.

Объяснение Энди красиво и глубоко. Если вам трудно понять, это может помочь вам визуализировать, как развязка работает в простых терминах. Представьте себе трехмерный вид вашей платы, на ней есть нагрузка (микросхемы и т. Д.) И источник питания. Нагрузка может внезапно «запросить» больший ток от источника питания, однако требуется, чтобы ток от источника достиг нагрузки на расстоянии трассы и сопротивлении трассы. Также одним из факторов является встроенное сопротивление самого источника или время переключения источника для определения нового текущего спроса и регулировки (пропускной способности источника). Короче говоря, блок питания не подает ток мгновенно, это требует времени.

Поскольку нагрузка ожидает поступления тока, у нее нет другого выбора, кроме как снизить напряжение, чтобы компенсировать «пропущенный» ток. Он должен подчиняться закону V = IR, нагрузка уменьшила свое сопротивление (R), чтобы «указать», что ему нужно больше энергии, больше не было тока, доступного сразу, поэтому я остаюсь таким же, поэтому V нужно уменьшить, чтобы компенсировать.

Так как мы решаем это? Мы ставим маленькие конденсаторы близко к нагрузке. Эти конденсаторы представляют собой небольшие «банки заряда», из которых нагрузка может быстро отключиться при избыточном спросе, быстрее, чем ждать, пока ток не выйдет из питания. Почему это быстрее? Потому что расстояние между конденсатором и нагрузкой меньше, а встроенное сопротивление конденсатора намного меньше, чем у источника питания. Если «Я» сразу доступно, тогда «V» не нужно компенсировать - все счастливы.

Хотя конденсаторам намного быстрее, чем источникам питания, конденсаторам также требуется время для «разряда» и подачи энергии на нагрузку пропорционально их внутреннему сопротивлению, которое увеличивается с увеличением емкости (фарад). Короче говоря, конденсаторы большего размера потребляют больше времени для подачи необходимого тока. Таким образом, вы хотите выбрать байпасный конденсатор, который достаточно быстр, чтобы реагировать на нагрузку, но в то же время держит достаточно заряда, чтобы удовлетворить потребность, пока ток от источника питания поступает на нагрузку.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Как упоминалось ранее, для общей логики это был хороший компромисс между временем отклика и требованиями к пропускной способности перепускных колпачков к требованиям нагрузки. Вы можете достать калькулятор и точно узнать, что является лучшим значением, но есть также затраты на спецификацию. Если вы настроите каждый обводной конденсатор на его нагрузку, у вас будет гораздо больше позиций в вашей спецификации, и это очень быстро станет дорогостоящим! 0,1 мкФ для большинства логических схем или для высокоскоростных цепей 0,01 мкФ (100 нФ) обычно являются хорошим выбором. Экономьте деньги в своей спецификации, где вы можете в рамках приложения.

Для нагрузок, которые часто меняют требования к току (высокочастотные нагрузки), существуют другие способы обойти время реакции в зависимости от емкости конденсаторов байпаса. Вы можете:

1. Используйте лучший регулятор мощности с более высокой пропускной способностью, чтобы не потребовалось много времени, чтобы получить питание от источника к нагрузке.
2. Положите два конденсатора параллельно. Два параллельных резистора уменьшают общее сопротивление, и оно не отличается от внутренних сопротивлений конденсаторов. Для этого объединенные конденсаторы имеют увеличенную емкость и увеличенное время отклика!
3. Вы можете использовать параллельные колпачки различной вместимости, большого приятеля и маленького приятеля. Таким образом, один может быть 0,01 мкФ, а другой 0,1 мкФ. Первый имеет быстрый отклик, а второй немного отстает в ответе, но обеспечивает ток в течение более длительного периода времени.
4. Вы также можете распределить емкость в вашей цепи, но не обязательно в точке нагрузки. Этот отклик зарядного резервуара быстрее, чем источник питания, поэтому вы можете использовать меньшие обводные конденсаторы при нагрузке, зная, что ваши распределенные зарядные резервуары восполнят провал в источнике.

Это упрощенное представление обо всем. Есть больше факторов, особенно в высокоскоростных цепях. Но если вы можете вообразить основные электрические принципы, действующие в вашей цепи, как динамическую систему снабжения и потребовать множество «лучших практик», о которых мы читаем, они станут здравым смыслом. Более простой аналогией может быть цепочка поставок Amazon. Их цель: поставлять предметы как можно быстрее в любую точку США. Их решение - склады рядом с каждым городом, меньшее время отклика при доставке товаров со склада и в грузовик. Далее идет доставка дронов. Это логистическая битва между спросом и предложением и компромиссом между временем отклика и емкостью, а также размером каждого узла распределения и стоимостью!

Действительно хорошее видео из EEVBlog о факторах для параллельных конденсаторов: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

Рекомендация использовать несколько значений, таких как 100 нФ + 10 мкФ, взята из 90-х и 80-х годов, когда 100 нФ был самым высоким легкодоступным керамическим конденсатором с приличной высокочастотной характеристикой. Конденсатор на 10 мкФ будет представлять собой электролитический или танталовый конденсатор с плохой высокочастотной характеристикой.

Это полностью изменилось сегодня. Теперь вы можете легко купить керамику 10 мкФ в упаковках 0603 или даже 0402. Для керамических конденсаторов высокочастотный отклик не имеет ничего общего с величиной конденсатора, и все, что связано с размером упаковки конденсатора.

В современных конденсаторах обычно бессмысленно подключать 100 нФ параллельно с 10 мкФ.

Вы можете легко увидеть на диаграмме ниже, что современные керамические конденсаторы высокой стоимости так же хороши, как и конденсаторы низкой стоимости для высоких частот, при условии, что размер упаковки одинаков. (Маленькие отрицательные провалы - это резонансные частоты. Вы не хотите полагаться на резонансную частоту для развязки конденсаторов, поэтому эти провалы следует игнорировать)

_{(Источник изображения: Analog Dialogue, сентябрь 2005 г. - практическое руководство по высокоскоростной компоновке печатной платы )}