Разница: фильтр низких частот и большой конденсатор?

При работе с микроконтроллерами рекомендуется размещать фильтрующие / развязывающие конденсаторы между контактом питания и заземлением. Я понимаю цель этой реализации, а именно то, что напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться, но каковы выдающиеся различия между единичным конденсатором и фильтром нижних частот?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

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

Например, если бы я хотел, чтобы обеспечить мое Опорное напряжение АЦП чистый питания для сравнения входного напряжения против, я мог либо понять, низкочастотный фильтр, чтобы отвергнуть высокочастотные колебания или просто вставить соответствующие размеры конденсатора.

Моя непосредственная мысль состоит в том, что начальная потребляемая мощность сингулярного конденсатора может на мгновение превысить максимальную номинальную мощность MCU, но с резистором этот ток будет ограничен. Не будет ли это с ФНЧ (с резистором), который можно было бы спроектировать так, чтобы выходное сопротивление фильтра было бесконечным, чтобы не загружать АЦП? Точно так же один конденсатор обеспечит достаточную фильтрацию напряжения, но не приведет ли это к низкому выходному сопротивлению?

Каковы плюсы и минусы каждой реализации фильтрации, и когда дизайнер должен использовать один или другой?

Есть еще мысли?

Крышка рядом с выводом питания предназначена не для защиты детали от шума, а для предотвращения ее генерации, поскольку логическое переключение вызывает быстрые изменения тока питания. В идеале крышка должна обеспечивать мгновенные требования к большему току, не увеличивая ток вплоть до источника питания.

Сумма импедансов на стороне блока питания - внутренний импеданс блока питания плюс индуктивность, сопротивление и емкость трасс или плоскостей - достаточна для того, чтобы обеспечить некоторую фильтрацию нижних частот на входной стороне крышки. Я думаю о кепке как о крошечном источнике питания, который может отвечать требованиям с полосой пропускания в диапазоне нескольких МГц. Большие регуляторы, которые питают полную цепь, реагируют слишком медленно, и крышка является временным источником питания, который заменяет или обходит (или разъединяет) блок питания. Размещение колпачка рядом с выводом питания на микросхеме минимизирует сопротивление и индуктивность, которые замедляют реакцию.

Части CMOS потребляют большую часть своей мощности при переключении состояния. Для микропроцессоров это означает, что по краям часов, а потребление тока происходит небольшими быстрыми скачками. Размер шипов меняется так же быстро, как и часы, так как каждая инструкция использует различные комбинации внутренних цепей. Представьте себе схему, используемую при проверке регистра на ноль в сравнении с получением данных из ОЗУ. Необходимая мощность колеблется с тактовой частотой. Чем больше изменяется ток, тем больше ограничение. Расчет правильного размера является вопросом оценки для большинства из нас, и керамическая крышка 0,1 мкФ настолько распространена, что это очень низкая стоимость. Конструкция конденсатора также вызывает озабоченность, а также изменение температуры. Некоторые могут реагировать быстрее, чем другие, а некоторые варьируются на 80% в диапазоне коммерческих температур.

Их также называют обходными заглушками, потому что: 1) они могут «обойти» (короткие) высокочастотный шум блока питания на землю. 2) Они могут «обходить» блок питания и реагировать на высокочастотные требования к мощности.

Также называется «разъединяющими колпачками», более точным термином для высоких частот, так как они «разъединяют» потребность в мощности между деталью и блоком питания.

Краткий ответ:

Один конденсатор хорош для подачи энергии, когда потребление энергии MCU быстро меняется. Фильтр RC используется для блокировки нежелательных высокочастотных сигналов.

Лоонг ответ:

Две разные схемы используются для разных целей. Как вы сказали, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.

Я уверен, что вы это знаете

1. MCU требует минимального напряжения для работы
2. MCU требует различного количества энергии во время работы

Поскольку мощность равна напряжению * ток (P = VI), а напряжение должно быть постоянным, то любое изменение мощности проявляется как изменение тока.

Для гипотетического дизайна с регулятором напряжения и MCU:

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

Скажем, мы удаляем C2:

^{смоделировать эту схему}

(Извините за изменяющиеся схемы, я не создал учетную запись для этого сайта схемы, и мне нужно продолжать перерисовывать его)

Если бы регулятор напряжения, который подает питание на MCU, был безупречен и не было паразитной индуктивности или сопротивления трассировки, MCU потреблял бы различную величину тока, и регулятор не уменьшал бы и не повышал свое напряжение. К сожалению, в реальном мире печатная плата выглядит примерно так:

^{смоделировать эту схему}

(Быстрое примечание: в этом контексте индуктор можно рассматривать как резистор на высокой частоте)

Из-за паразитной индуктивности от платы, сопротивления трассировки и того факта, что регуляторы не могут реагировать на потребление тока, изменяются мгновенно, напряжение будет падать и повышаться, когда MCU потребляет больше или меньше тока соответственно.

В качестве ссылки здесь приведен график из таблицы данных LM7805.

ST 7805

Это показывает конечное время отклика регулируемого выходного напряжения LM7805 (треугольник опускается и выпирает в нижней строке) по мере увеличения и уменьшения нагрузки. Если бы регулятор был безупречен, то «Отклонение напряжения» не пошло бы вверх или вниз при относительно быстром увеличении или уменьшении тока.

Я понимаю, что сначала пускать катушки индуктивности может быть немного сложно, поэтому для простоты вы можете заменить индуктор в приведенной выше схеме резистором и добавить два резистора вместе, и у вас есть резистор между регулятором и MCU. Это плохо, потому что V = IR, и чем больше ток потребляет MCU, тем больше будет падение напряжения на резисторе. (Я объясню больше о том, что эти резисторы делают ниже, когда я говорю о RC-фильтрах.

Вернуться к оригинальному дизайну. Обходной конденсатор установлен как можно ближе к MCU, чтобы все индуктивности и сопротивления, обнаруженные на печатной плате, и тот факт, что регулятор не может реагировать мгновенно, не влияют на уровень напряжения на MCU.

Для вашей второй (RC) цепи

^{смоделировать эту схему}

Причина, по которой резистор не следует добавлять для обхода MCU, заключается в том, что напряжение на резисторе относительно тока, протекающего через него. Это важно, потому что если MCU работает при 5 В и потребляет ток 10 мА (работает без каких-либо действий), то на этом резисторе наблюдается падение напряжения:

R * 10 мА = Vdrop

Таким образом, если у вас есть резистор 50 Ом, вы бы упали на 0,5 В, это может привести к сбросу MCU.

Фильтр нижних частот, такой как RC-фильтр, который вы там создали, не годится для подачи питания, но полезен для фильтрации высокочастотных составляющих сигнала.

Это отлично подходит для сигналов, которые считываются с АЦП, потому что АЦП может производить выборку только с определенной частотой, поэтому, если сигнал изменяется со скоростью, большей чем высокочастотные сигналы (на самом деле половина скорости по теореме Найквиста ) будет отображаться как случайный шум, поэтому его лучше удалить с помощью фильтра RC.

В качестве примера скажем, что у вас есть АЦП, который производит выборку со скоростью 10 кГц

и вы хотите прочитать аналоговый датчик, который изменяется только с частотой 1 кГц, тогда вы можете настроить свой RC-фильтр для фильтрации сигналов с частотой более 5 кГц (вы, вероятно, не хотите начинать фильтрацию с частотой 1 кГц, поскольку RC-фильтр имеет небольшой величина затухания ниже частоты, на которой он предназначен для фильтрации.

Таким образом, для разработки RC-фильтра вы можете использовать резистор:

330 Ом и емкость 0,1 мкФ

Вот отличный калькулятор, если вам нужно решить эту проблему для любых других частот:

Удивительный калькулятор RC

Я надеюсь, что я остался в теме достаточно, чтобы ответить на ваш вопрос.

Разница заключается в том, что размещение только конденсатора зависит как от сопротивления источника питания, так и от сопротивления источника питания микросхемы, чтобы составить остальную часть фильтра нижних частот. То есть оба экземпляра создают ФНЧ, явный резистор просто для его настройки.

Вы правы. Это техника развязки, и мы должны следовать рекомендациям производителей. Типичная развязка состоит из:

-> Большой электролитический конденсатор (10 ~ 100 мкФ) на расстоянии не более 5 см от микросхемы. Целью этого конденсатора является подача «локально» требований к мгновенному току, избегая получения этой мощности от главной цепи питания и их сопротивления. o Это конденсатор с низким ESR. -> Конденсатор меньшего размера (0,01 мкФ - 0,1 мкФ) ближе к выводам питания микросхемы, насколько это возможно, для вывода высокочастотных компонентов из микросхемы. Оба конденсатора должны быть подключены к заземлению большой площади на печатной плате для минимальной индуктивности. -> Ряд с ферритовым слоем с выводом Vcc IC, чтобы уменьшить EMI к и от этой IC.

Как вы можете судить, выше приведены общие методы для линейных и цифровых ИС. Но RC-фильтр, который вы рисуете, предназначен для развязки цифровых микросхем. Изменения в состоянии цифровых затворов приводят к колебанию напряжения PS из-за следов полного сопротивления. Высокочастотный шум можно минимизировать с помощью топологий RC или LC. В LC-фильтре шум появляется на катушке, а не в микросхеме или в цепи питания. Он обеспечивает очень эффективную фильтрацию, но имеет резонансную частоту, которая может излучать электромагнитные помехи. Ферритовый слой можно использовать вместо индуктора.

Фильтр RC, о котором вы упоминаете, преобразует шум в тепло и, как таковой, рассеивается. Дело в том, что резистор вводит падение напряжения в подаваемом напряжении. С другой стороны, RC-фильтр дешевле. Иногда вы можете найти сопротивление намотки провода вместо индуктора

Выше приведены рекомендации Silicon Labs и Analog Devices.

Фильтр нижних частот используется для блокировки высокочастотных и шумовых сигналов выше определенной частоты. Резонанс возникает на этой частоте. Все сигналы выше резонансной частоты будут заземлены и о сингласуре конденсатора вы описали так же.

Фильтр RC используется вместо фильтра LC для экономической цели.