Что такое развязывающий конденсатор и как узнать, нужен ли он мне?

Что такое развязывающий конденсатор (или сглаживающий конденсатор, как указано в ссылке ниже)?

Как узнать, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и куда он должен идти?

В этом вопросе упоминается много чипов, нуждающихся в одном между VCC и GND; как мне узнать, является ли конкретный чип одним?

Будет ли SN74195N 4-битовый сдвиговый регистр , параллельный доступ использоваться с Arduino нужен? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему нет?

Я чувствую, что начинаю понимать основы резисторов и некоторые места, в которых они используются, какие значения следует использовать в указанных местах и ​​т. Д., И я хотел бы также понять конденсаторы на базовом уровне.

Я был тем, кто задал этот вопрос. Вот мое элементарное понимание:

Вы подключаете конденсаторы через / GND, чтобы поддерживать постоянное напряжение. В цепи постоянного тока конденсатор действует как разомкнутая цепь, поэтому проблем с закорачиванием в нем нет. Когда ваше устройство включено ( = 5 В), конденсатор заряжается до полной емкости и ждет, пока не произойдет изменение напряжения между и GND ( = 4,5 В). В этот момент конденсатор разрядится, чтобы попытаться вернуть напряжение до уровня заряда внутри конденсатора (5 В). Это называется «сглаживанием» (или, по крайней мере, так я это называю), потому что изменение напряжения будет менее выраженным.$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$

В конечном счете, напряжение никогда не вернется к 5 В через конденсатор, скорее конденсатор будет разряжаться, пока заряд внутри него не станет равным напряжению питания (до равновесия). Подобный механизм отвечает за сглаживание, если увеличивается слишком далеко за пределы своего среднего значения (возможно, = 5,5 В).$V_{CC}$$V_{CC}$

Что касается их необходимости, они очень важны в высокоскоростных цифровых и аналоговых схемах. Я не могу представить, что вам понадобится один для SN74195, но это не повредит!

Источники питания работают медленно ... они реагируют примерно на 10 (т. Е. Полоса пропускания до 100 кГц). Поэтому, когда ваш большой, плохой, много-МГц микроконтроллер переключает кучу выходов с высокого на низкий уровень, он будет питаться от источника питания, в результате чего напряжение начнет падать, пока не поймет (10 нас позже!), Что ему нужно что-то делать исправить понижение напряжения.

Чтобы компенсировать медленные источники питания, мы используем развязывающие конденсаторы. Разъединяющие конденсаторы добавляют быстрое «накопление заряда» рядом с ИС. Таким образом, когда ваш микро переключает выходы, вместо того, чтобы заряжать заряд от источника питания, он сначала будет питаться от конденсаторов. Это позволит купить блок питания некоторое время, чтобы приспособиться к меняющимся требованиям.

«Скорость» конденсаторов варьируется. В основном, меньшие конденсаторы быстрее; Индуктивность имеет тенденцию быть ограничивающим фактором, поэтому каждый рекомендует устанавливать колпачки как можно ближе к VCC / GND, используя самые короткие и широкие выводы, которые являются практичными. Так что выбирайте самую большую емкость в самой маленькой упаковке, и они обеспечат максимально быстрый заряд.

Обычно это называется «шунтирующая заглушка», потому что высокочастотный шум обходит микросхему и течет прямо на землю, или « развязывающая заглушка », потому что она предотвращает подключение тока одной ИС к источнику питания другой микросхемы.

"Как я узнаю, является ли конкретный чип одним?"

Просто предположите, что они все делают. :) Если микросхема потребляет ток с перерывами, это приведет к прерывистому падению напряжения питания. Если другой чип находится в нисходящем направлении, он увидит этот шум на своих выводах питания. Если это достаточно плохо, это может вызвать ошибки или шум или что-то еще. Поэтому обычно мы ставим обходные заглушки на все, «вверх по течению» от IC. (Да, ориентация следов и расположение компонентов имеет значение, поскольку медь не является идеальным проводником.)

Сглаживающий конденсатор ( так называемый разделительный конденсатор ) используется для уменьшения изменения напряжения источника питания. Когда вы получаете большие токи от источника питания (например, когда цифровая логика переключается в состояние), вы увидите изменение напряжения питания. Коммутация пытается протянуть большие мгновенные токи и вызывает падение напряжения из-за полного сопротивления источника напряжения и соединения между источником напряжения и ИС. Развязывающий конденсатор поможет поддерживать (или сглаживать) напряжение питания на устройстве. Размещение этого запоминающего элемента рядом с микросхемой уменьшает изменение напряжения на микросхеме.

Если вы не измеряете напряжение питания на каждой микросхеме, когда микросхема потребляет свои максимальные токи переключения, трудно сказать, насколько эффективным будет конденсатор. Для большинства цифровых устройств рекомендуется использовать керамику 0,1 мкФ в непосредственной близости от устройства. Поскольку конденсаторы маленькие и недорогие, большинство дизайнеров просто добавят конденсаторы. Иногда, если у меня есть два очень близких логических устройства, вы можете ориентировать один конденсатор между двумя микросхемами. Обычно это не тот случай.

Микросхемы источника питания имеют более высокие требования к сглаживающим конденсаторам, поскольку токи переключения больше. Для этих устройств вам нужно внимательно изучить требования к ряду приложений, чтобы определить подходящий фильтрующий конденсатор.

Просто чтобы добавить больше о выбросах EM.

Большинство компаний рекомендуют 0,1 мкФ ограничения на каждом входе питания. Имейте в виду, что это только необходимый минимум, чтобы избежать провалов напряжения, которые могут повлиять на работу. Если вы строите плату PCB, которая должна пройти FCC Part 15 для выбросов, вам нужно идти дальше.

В конечном итоге вам необходимо рассчитать всю емкость, необходимую для плоскости источника питания, исходя из конструкции печатной платы и потребления энергии. Общее эмпирическое правило, которое я использую в качестве отправной точки, - одна танталовая крышка 10 мкФ на каждую основную микросхему (микроконтроллер, АЦП, ЦАП и т. Д.), А затем крышка 0,1 мкФ и 10 нФ на каждый вывод питания на каждой ИС. Колпачки на 10 нФ должны быть небольшими - предпочтительно 0402 или размером не более 0603 - чтобы избежать индуктивности свинца от пакета, сводящей на нет влияние конденсатора.

Я очень рекомендую эту книгу, если вы планируете заняться высокоскоростным цифровым дизайном, который на самом деле означает более 1 МГц.

Вопросы, связанные с разделением, в последнее время, похоже, часто возникают. Я дал подробный ответ здесь: разъединение колпачков, расположение печатных плат

Это говорит о разделении вопросов и макета. Сглаживание питания - это совсем другое дело. Как правило, для этого требуются большие колпачки, которые должны сохранять разумное количество энергии, поскольку частота пульсаций источника питания намного ниже, чем частоты, на которые рассчитаны колпачки развязки.

Я хотел бы подчеркнуть один из пунктов Джулиани. Очень важно расположить конденсатор как можно ближе к входной мощности микросхемы. Это может помочь устранить любой шум, возникающий где-либо еще, в вашей цепи, от источника питания, или даже некоторый шум, излучаемый источником с вашей платы.

Jluciani правильно, что 0,1 мкФ очень распространены для размещения рядом с микросхемами. Просто подумайте о емкости как о том, сколько заряда конденсатор может удерживать, поэтому чем больше емкость, тем больше заряда он держит. Если вы разместите конденсаторы параллельно, вы добавите больше емкости, что приведет к более высокой эффективной емкости.

Что касается вашего вопроса о том, нужен ли этот чип или нет, я бы сказал, это не повредит. В техническом описании обычно указывается, нуждается ли микросхема в разделительных (сглаживающих) конденсаторах, и если да, то каково рекомендуемое значение.

Просто чтобы добавить несколько моментов к другим ответам:

Чтобы измерить влияние пиков тока на напряжение питания, вам понадобится быстрый осциллограф. Это зависит от скорости каналов, но я думаю, вам понадобится полоса пропускания от 200 МГц до 1 ГГц.

Кроме того, если цепь электропитания, несущая пики тока, велика, то это вызовет радиоизлучение, которое осуждается по различным техническим и юридическим причинам. Обходной конденсатор действует как ярлык для этих пиков, поэтому излучение значительно меньше.

Обходные заглушки достаточно дешевы, поэтому во многих случаях нет причин не ставить их повсюду. Если пространство или стоимость являются крайними проблемами, тем не менее, может быть разумно оставить несколько. Ключ должен признать, что может произойти, если они остановились. Мое предложение состояло бы в том, чтобы предположить наихудший сценарий, если они отключены: (1) радиочастотное излучение на частоте переключения входа может быть увеличено, и (2) каждый раз, когда вход переключается, предполагается, что выходы устройства и внутреннее состояние могут быть произвольно сбитым с толку. Если какой-либо из этих вариантов поведения будет проблемой, необходимо ограничить обход. Если ни одна из них не будет проблемой (например, из-за того, что ни один из входов не переключается достаточно часто, чтобы возникла проблема с излучением, устройство не имеет внутреннего состояния,

В общем случае некоторые или несколько интегральных схем, транзисторов или клапанов (ламп) будут подключены к одному источнику питания. Поскольку устройство в этих ситуациях работает, оно потребляет различные величины тока от источника питания в соответствии с сигналом, проходящим через него. Поскольку источники питания не идеальны, переменный ток вызывает переменное напряжение на шинах питания. Все остальные устройства, подключенные к одному источнику питания, будут чувствовать это напряжение, т.е. шумовой сигнал будет связан с ними. Это может вызвать нестабильность в аналоговых цепях или неправильное переключение в цифровых. Благодаря размещению конденсаторов DE в точках, описанных выше, напряжение источника питания становится более стабильным, и устройства отсоединяются друг от друга.

Часто в техническом описании чипа указывается, сколько и какого размера конденсаторов использовать. Если этого не произойдет, лучше всего прикрепить крышку 1 мкФ к контактам питания каждого чипа, плюс большую крышку где-нибудь на плате. (До 2001 года в наилучшей практике использовались 0,1 мкФ шапки).

PS: вы рассматривали использование 74HC595 или 74HC166, а не 74195? Я подозреваю, что это сработало бы так же, и освободило бы некоторые булавки на вашем Arduino.

Люди обычно дают одно объяснение, когда их спрашивают, какова функция развязки конденсаторов, но на самом деле они выполняют несколько задач.

Вот список вещей, которые я знаю:

Они уменьшают отскок земли

Отскок земли - это явление, при котором изменение разности напряжений на плоскости заземления отрицательно влияет (в основном) на аналоговые и (иногда) цифровые сигналы. Для аналоговых сигналов, таких как, например, аудио, это может проявляться в виде высоких частот. Для цифровых сигналов это может означать отсутствие / задержку / ложные переходы сигнала.

Изменение разности напряжений вызвано созданием и коллапсом магнитных полей, вызванным изменением протекания тока.

Чем длиннее путь, по которому должен идти поток тока, тем выше индуктивность, связанная с ним, и тем хуже становится отскок от земли. Несколько путей прохождения тока также усугубляют проблему, а также скорость, с которой изменяется ток.

Поток тока, очевидно, происходит между источником питания и подключенной интегральной схемой, но несколько менее очевидно также между "связывающими" интегральными схемами. Текущий поток, связанный с двумя микросхемами, выглядит следующим образом; источник питания -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> источник питания.

Разъединяющий конденсатор эффективно уменьшает длину пути тока, функционируя как источник питания, тем самым уменьшая индуктивность и, таким образом, отскок от земли.

Предыдущий пример становится; Крышка -> IC 1 -> IC 2 -> Земля -> Крышка

Они поддерживают стабильный уровень напряжения

Есть две причины, почему уровни напряжения колеблются:

• Индуктивность трассы / провода уменьшает максимальную скорость изменения тока через эту трассу / провод; внезапное увеличение «спроса» на ток приведет к падению напряжения; внезапное снижение «спроса» на ток приведет к скачку напряжения.
• Источники питания (особенно переключающие) нуждаются во времени для ответа и будут немного отставать от текущего спроса.

Разъединяющий конденсатор сгладит потребление тока и уменьшит любые падения или скачки напряжения.

Они МОГУТ уменьшить EMI (передачу)

Когда мы говорим об электромагнитных помехах, мы имеем в виду либо передачу непреднамеренных электромагнитных помех, либо получение преднамеренных или непреднамеренных электромагнитных сигналов, которые влияют на работу вашего устройства. Обычно это относится к самой передаче.

Расположение (развязки) конденсаторов между силовой и заземляющей плоскостями изменяет коэффициент передачи в диапазоне частот. Очевидно, что использование только одного значения для ваших конденсаторов для всей печатной платы, а также для конденсаторов с потерями / высоким сопротивлением - это путь, если вам нужно уменьшить электромагнитные помехи, однако это идет вразрез с обычной практикой (которая поощряет увеличение порядка емкости, чем ближе вы находитесь к источнику питания). Большинство людей на самом деле не заботятся о EMI, если они делают схемы для своего хобби (хотя обычно это делают радиолюбители), но это становится неизбежным, когда вы создаете схему для массового производства.

Конденсатор (разъединяющий) МОЖЕТ уменьшить непреднамеренное электромагнитное излучение, создаваемое вашей цепью.

Чтобы ответить на ваши оставшиеся вопросы ..

Как узнать, нужен ли он мне, и если да, то какого размера и куда он должен идти?

Обычно вы устанавливаете развязывающий конденсатор, когда это возможно, выбирая наименьший физический размер с наибольшим значением, как можно ближе к выводу блока питания микросхемы.

Нужен ли 4-битный регистр сдвига параллельного доступа SN74195N, используемый с Arduino? (Чтобы использовать мой текущий проект в качестве примера) Почему или почему нет?

Вероятно, это будет работать нормально, но зачем беспокоиться о «вероятно», если вы можете увеличить шансы, разместив компонент, который стоит несколько центов, в некоторых случаях даже один цент?

Практически каждая микросхема должна иметь развязывающий конденсатор. Если в техническом паспорте ничего не указано, как минимум, поместите керамический колпачок 0,1 мкФ рядом с выводом питания микросхемы, рассчитанный как минимум на удвоенное напряжение, которое вы используете.

Многие вещи потребуют большей емкости на входе. Эти рекомендации часто можно найти в таблицах данных, примечаниях к приложениям или схемах оценочных комплектов.

Давайте уберем часть волшебства с обходными заглушками, улучшив модель схемы; 7400 семейных ворот выглядят так:

Эти ворота, доступные в 3-в-одном пакете, обеспечивают высокую скорость (большой разветвленность) и высокую скорость. Внутри 74195 нам не нужен весь этот диск. Нам нужна скорость. Мы примем 2 мА через каждые ворота (~ ~ 15 ворот на FF)

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Нам нужно хранить достаточно заряда для 1 часа занятой тактовой активности. ПОЧЕМУ? Зачем использовать 1uS? Потому что большие конденсаторы и длинные провода будут звонить и расстраивать VDD на IC, если не затухают. Какая частота звонка? 1uH и 1uF производят 0,159 кГц. Как демпфировать?

Используйте Q = 1 [определяется как Q = ZL / R = 2 (пи Fring L / R)] и Fring = 1/2 * пи sqrt (L C), мы находим Rdampen = sqrt (L / C). Для 1uH и 1uF нужен ОДИН ОМ.

Рассмотрите эту схему для хорошего контроля звонка VDD:

^{смоделировать эту схему}

Что нам говорит проводник цепей сигналов об этом затухании в 1 Ом?

Сюрприз? Инженер-логик также должен ДИЗАЙН фильтрации VDD и демпфирования VDD.

Чтобы ответить на ваш вопрос вкратце: постоянный ток не проходит через конденсатор, переменный ток проходит. Большая часть шума представляет собой шум, связанный с переменным током, и / или имеет характеристики переменного тока, т.е. переключение + - некоторое значение постоянного тока. Чтобы учесть эти изменения, вы используете конденсатор DECOUPLING. Это просто закорачивает сигналы переменного тока. Существует множество замечательных заметок приложений о том, почему и как они работают: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Кроме того, разговоры о емкостных / сглаживающих конденсаторах - их обсуждение в этой теме просто сбивает с толку новичков с точки зрения терминологии.
Сглаживание сделано, чтобы создать очень устойчивое напряжение. Например, выходы некоторых датчиков / цепей зависят пропорционально их напряжению питания. Рябь в подаче будет напрямую влиять на их выход.

Конденсатор является элементом хранения, и он будет сохранять энергию в виде заряда. Возвращаясь к разъединяющему колпачку, он также называется байпасным конденсатором, поскольку он будет обходить пульсации питания, и этот заряженный колпачок будет пытаться поддерживать постоянное напряжение постоянного тока на выводе VDD.

Они необходимы для снижения сопротивления системы подачи питания. На высоких частотах источники питания имеют значительный последовательный импеданс, главным образом из-за индуктивности электрических сетей. Взгляните на раздел «Коллапс рельсов в Power Integrity» в следующей статье, который поможет вам понять идею: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/