Apa yang dimaksud dengan kapasitor decoupling dan bagaimana saya tahu jika saya membutuhkannya?

Apa itu kapasitor decoupling (atau kapasitor smoothing sebagaimana dimaksud dalam tautan di bawah)?

Bagaimana saya tahu jika saya membutuhkannya dan jika demikian, ukuran apa dan ke mana harus pergi?

Pertanyaan ini menyebutkan banyak chip yang membutuhkan satu antara VCC dan GND; bagaimana saya tahu jika chip spesifik adalah satu?

Apakah SN74195N register geser akses paralel 4-bit yang digunakan dengan Arduino memerlukannya? (Untuk menggunakan proyek saya saat ini sebagai contoh) Mengapa atau mengapa tidak?

Saya merasa seperti saya mulai memahami dasar-dasar resistor dan beberapa tempat yang digunakan, nilai apa yang harus digunakan di tempat tersebut, dll, dan saya ingin memahami kapasitor di tingkat dasar juga.

Saya yang mengajukan pertanyaan itu. Inilah pemahaman saya yang belum sempurna:

Anda memasang kapasitor di / GND untuk mencoba dan menjaga voltase lebih konstan. Di bawah rangkaian DC, kapasitor bertindak sebagai sirkuit terbuka sehingga tidak ada masalah dengan korslet di sana. Saat perangkat Anda dihidupkan ( = 5V), kapasitor dibebankan ke kapasitas dan menunggu hingga ada perubahan tegangan antara dan GND ( = 4.5V). Pada titik ini, kapasitor akan melepaskan untuk mencoba dan membawa tegangan kembali ke tingkat pengisian di dalam kapasitor (5V). Ini disebut "smoothing" (atau setidaknya begitulah saya menyebutnya) karena perubahan voltase akan kurang jelas.$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$

Pada akhirnya, tegangan tidak akan pernah kembali ke 5V melalui kapasitor, melainkan kapasitor akan dilepaskan sampai muatan di dalamnya sama dengan tegangan suplai (ke kesetimbangan). Mekanisme serupa bertanggung jawab untuk memperlancar jika meningkat terlalu jauh di atas rata-rata ( = 5.5V mungkin).$V_{CC}$$V_{CC}$

Adapun mengapa Anda membutuhkannya, mereka sangat penting dalam sirkuit digital dan analog berkecepatan tinggi. Saya tidak bisa membayangkan Anda akan membutuhkannya untuk SN74195, tetapi tidak ada salahnya!

Catu daya lambat ... diperlukan kira-kira 10 kita untuk merespons (yaitu bandwidth hingga 100 kHz). Jadi ketika mikrokontroler multi-MHz Anda yang besar, buruk, mengalihkan banyak output dari tinggi ke rendah, itu akan menarik dari catu daya, menyebabkan tegangan mulai terkulai sampai menyadari (10 kita nanti!) Bahwa ia perlu melakukan sesuatu untuk memperbaiki tegangan terkulai.

Untuk mengimbangi pasokan daya yang lambat, kami menggunakan kapasitor decoupling. Kapasitor decoupling menambah "penyimpanan biaya" cepat di dekat IC. Jadi ketika mikro Anda mengganti output, alih-alih menarik biaya dari catu daya, ia akan terlebih dahulu menarik dari kapasitor. Ini akan membeli catu daya beberapa waktu untuk menyesuaikan dengan tuntutan yang berubah.

"Kecepatan" kapasitor bervariasi. Pada dasarnya, kapasitor yang lebih kecil lebih cepat; induktansi cenderung menjadi faktor pembatas, itulah sebabnya semua orang merekomendasikan untuk menempatkan topi sedekat mungkin dengan VCC / GND dengan lead terpendek dan terluas yang praktis. Jadi pilih kapasitansi terbesar dalam paket terkecil, dan mereka akan memberikan biaya paling cepat.

Biasanya disebut "bypass cap", karena noise frekuensi tinggi memintas IC dan mengalir langsung ke ground, atau " decoupling cap ", karena mencegah penarikan arus dari satu IC dari menyambung ke catu daya IC lain.

"Bagaimana saya tahu jika chip tertentu adalah satu?"

Anggap saja mereka semua melakukannya. :) Jika sebuah chip menggambar arus sesekali, itu akan menyebabkan tegangan suplai terkulai sesekali. Jika chip lain adalah "downstream", ia akan melihat kebisingan pada pin kekuatannya. Jika itu cukup buruk, itu dapat menyebabkan kesalahan atau kebisingan atau apa pun. Jadi secara umum kami menempatkan bypass caps pada semuanya, "upstream" dari IC. (Ya, orientasi jejak dan lokasi komponen penting, karena tembaga bukan konduktor yang sempurna.)

Sebuah kapasitor smoothing (alias decoupling capacitor ) digunakan untuk mengurangi perubahan tegangan catu daya. Ketika Anda menarik arus tinggi dari catu daya Anda (seperti ketika logika digital beralih negara) Anda akan melihat perubahan tegangan suplai. Switching mencoba untuk menggambar arus instan besar dan menghasilkan penurunan tegangan karena impedansi sumber tegangan dan hubungan antara sumber tegangan dan IC. Kapasitor decoupling akan membantu menjaga (atau memperlancar) tegangan suplai pada perangkat. Menempatkan elemen penyimpanan ini dekat dengan IC mengurangi perubahan tegangan pada IC.

Kecuali jika Anda mengukur tegangan suplai pada setiap IC ketika IC sedang menggambar arus switching maksimumnya, sulit untuk mengatakan seberapa efektif kapasitor tersebut. Untuk sebagian besar perangkat digital rekomendasinya adalah 0.1uF keramik yang sangat dekat dengan perangkat. Karena kapasitor kecil dan murah, sebagian besar desainer hanya akan menambahkan kapasitor. Kadang-kadang jika saya memiliki dua perangkat logika yang sangat dekat Anda mungkin dapat mengarahkan satu kapasitor antara dua IC. Ini biasanya tidak demikian.

IC catu daya memiliki persyaratan kapasitor smoothing yang lebih besar karena arus swithing lebih besar. Untuk perangkat tersebut, Anda perlu melihat lebih dekat pada persyaratan riak aplikasi untuk menentukan kapasitor penyaringan yang sesuai.

Hanya untuk menambah emisi EM.

Sebagian besar perusahaan akan merekomendasikan tutup 0,1uF pada setiap input daya. Perlu diingat ini hanya minimum yang diperlukan untuk menghindari penurunan tegangan yang dapat mempengaruhi pengoperasian. Jika Anda membuat papan PCB yang harus lulus FCC Bagian 15 untuk emisi, Anda harus melangkah lebih jauh.

Pada akhirnya Anda perlu menghitung seluruh kapasitansi yang dibutuhkan pada bidang catu daya berdasarkan desain PCB dan penggunaan daya. Aturan umum yang saya gunakan sebagai tempat awal adalah satu tutup tantalum 10uF per IC utama (mikrokontroler, ADC, DAC, dll) dan kemudian tutup 0.1uF dan 10nF di setiap pin daya pada setiap IC. Tutup 10nF harus berukuran kecil — lebih disukai 0402 atau paling banyak berukuran 0603 — untuk menghindari induktansi timbal dari paket yang membatalkan efek kapasitor.

Saya sangat merekomendasikan buku ini jika Anda berencana untuk masuk ke desain digital kecepatan tinggi, kecepatan tinggi yang berarti apa pun lebih dari 1MHz.

Pertanyaan yang terkait dengan decoupling tampaknya banyak muncul akhir-akhir ini. Saya memberikan jawaban yang terperinci di sini: Tutup decoupling, layout PCB

Itu berbicara tentang masalah dan tata letak decoupling. Perataan catu daya adalah masalah yang sangat berbeda. Yang pada umumnya memerlukan penutup yang lebih besar yang harus mampu menyimpan energi dalam jumlah yang wajar karena frekuensi riak catu daya jauh lebih rendah daripada frekuensi tutup pelepas yang dimaksudkan untuk ditangani.

Saya ingin menekankan salah satu poin jluciani. Sangat penting untuk meletakkan kapasitor sedekat mungkin dengan input daya chip. Ini dapat membantu menghilangkan kebisingan yang muncul di tempat lain, baik di sirkuit Anda, dari catu daya, atau bahkan beberapa kebisingan yang dipancarkan dari sumber di luar papan Anda.

jluciani benar bahwa 0.1uF sangat umum untuk ditempatkan di sebelah IC. Cukup pikirkan kapasitansi sebagai seberapa besar muatan yang dapat ditahan kapasitor, sehingga semakin besar kapasitansi, semakin banyak muatan yang ditahan. Jika Anda menempatkan kapasitor secara paralel, Anda menambahkan lebih banyak kapasitas yang menghasilkan kapasitansi efektif yang lebih tinggi.

Sejauh pertanyaan Anda tentang apakah chip itu memerlukannya atau tidak, saya akan mengatakan, tidak ada salahnya. Datasheet biasanya akan menentukan apakah chip membutuhkan kapasitor decoupling (alias smoothing) dan jika demikian, berapa nilai yang disarankan.

Hanya dengan menambahkan beberapa poin ke jawaban lain:

Untuk mengukur efek dari lonjakan arus pada tegangan suplai Anda memerlukan osiloskop cepat. Itu tergantung pada kecepatan sirkuit, tapi saya kira Anda akan membutuhkan bandwidth 200MHz ke 1GHz.

Juga, jika sirkuit catu daya yang membawa lonjakan arus besar maka akan menyebabkan emisi radio, yang disukai karena berbagai alasan teknis dan hukum. Kapasitor bypass berfungsi seperti pintasan untuk paku ini, jadi emisi yang ada jauh lebih sedikit.

Tutup Bypass cukup murah sehingga dalam banyak kasus tidak ada alasan untuk tidak menempatkan mereka di mana-mana. Namun, jika ruang atau biaya adalah masalah ekstrem, mungkin masuk akal untuk meninggalkan beberapa. Kuncinya adalah mengenali apa yang mungkin terjadi jika mereka ditinggalkan. Saran saya adalah untuk mengasumsikan skenario terburuk jika mereka tinggalkan: (1) Radiasi RF pada frekuensi switching input dapat ditingkatkan, dan (2) setiap kali input beralih, anggap output perangkat dan keadaan internal mungkin menjadi sewenang-wenang glitched. Jika salah satu dari perilaku ini menjadi masalah, diperlukan bypass cap. Jika tidak ada masalah (misalnya karena tidak ada input yang cukup sering berganti radiasi, perangkat tidak memiliki status internal,

Dalam kasus umum, beberapa atau banyak IC, transistor, atau katup (tabung) akan dihubungkan ke catu daya yang sama. Ketika perangkat dalam situasi ini beroperasi, ia menarik berbagai jumlah arus dari catu daya sesuai dengan sinyal yang melewatinya. Karena catu daya tidak sempurna, arus yang bervariasi menyebabkan voltase yang bervariasi muncul di rel pasokan. Semua perangkat lain yang terhubung ke catu daya yang sama kemudian akan merasakan tegangan ini yaitu. sinyal noise akan digabungkan ke dalamnya. Hal ini dapat menyebabkan ketidakstabilan di sirkuit analog atau kesalahan dalam koneksi digital. Dengan menempatkan kapasitor DEcoupling pada titik-titik yang dijelaskan di atas, tegangan catu daya menjadi lebih stabil, dan perangkat dipisahkan satu sama lain.

Seringkali datasheet untuk chip secara khusus menyebutkan berapa banyak dan ukuran kapasitor yang digunakan. Jika tidak, praktik terbaik adalah memasang tutup 1 uF ke pin daya masing-masing chip, ditambah tutup yang lebih besar di suatu tempat di papan tulis. (Sebelum 2001, praktik terbaik menggunakan 0,1 uF caps).

ps: sudahkah Anda mempertimbangkan untuk menggunakan 74HC595 atau 74HC166 daripada 74195? Saya menduga itu akan berhasil juga, dan membebaskan beberapa pin pada Arduino Anda.

Orang biasanya memberikan satu penjelasan ketika ditanya apa fungsi kapasitor decoupling, tetapi kenyataannya mereka memenuhi beberapa tugas.

Inilah daftar hal-hal yang saya ketahui:

Mereka mengurangi pentalan tanah

Ground bounce adalah fenomena di mana perbedaan tegangan yang berubah di bidang tanah mempengaruhi secara negatif (kebanyakan) sinyal analog dan (kadang-kadang) digital. Untuk sinyal analog, seperti audio misalnya, ini dapat memanifestasikan dirinya dalam bentuk noise bernada tinggi. Untuk sinyal digital, ini bisa berarti transisi sinyal yang hilang / tertunda / palsu.

Perbedaan tegangan yang berubah disebabkan oleh penciptaan dan keruntuhan medan magnet yang disebabkan oleh perubahan aliran arus.

Semakin lama jalur yang harus dilalui aliran saat ini, semakin tinggi induktansi yang terkait dengannya dan semakin buruk pentalan tanah. Beberapa jalur aliran saat ini juga memperburuk masalah, serta kecepatan perubahan saat ini.

Aliran arus jelas terjadi antara catu daya dan IC yang terhubung, tetapi agak kurang jelas juga antara IC yang "berkomunikasi". Aliran saat ini yang terkait dengan dua IC terlihat seperti ini; catu daya -> IC 1 -> IC 2 -> Ground -> catu daya.

Sebuah kapasitor decoupling secara efektif mengurangi panjang jalur saat ini dengan berfungsi sebagai sumber daya, sehingga mengurangi induktansi dan dengan demikian memantul.

Contoh sebelumnya menjadi; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Ground -> Cap

Mereka menjaga level tegangan stabil

Ada dua alasan mengapa level tegangan berfluktuasi:

• Jejak / kawat induktansi mengurangi tingkat maksimum perubahan arus melalui jejak / kawat itu; peningkatan 'permintaan' mendadak untuk arus akan menghasilkan penurunan voltase; penurunan 'permintaan' mendadak untuk arus akan menghasilkan lonjakan voltase.
• Pasokan listrik (terutama yang dari jenis switching) perlu waktu untuk merespons dan akan sedikit tertinggal dari permintaan saat ini.

Sebuah kapasitor decoupling akan memperlancar permintaan saat ini dan mengurangi setiap jatuh atau lonjakan tegangan.

Mereka BISA mengurangi EMI (transmisi)

Ketika kita berbicara tentang interferensi elektromagnetik, kita merujuk pada transmisi interferensi elektromagnetik yang tidak diinginkan atau penerimaan sinyal elektromagnetik yang dimaksudkan atau tidak disengaja yang mengganggu fungsi perangkat Anda. Biasanya mengacu pada transmisi itu sendiri.

Penempatan kapasitor (decoupling) antara daya dan bidang tanah mengubah koefisien transmisi di berbagai frekuensi. Tampaknya hanya menggunakan satu nilai untuk kapasitor Anda untuk seluruh PCB serta kapasitor lossy / resistensi tinggi adalah cara untuk pergi jika Anda perlu mengurangi EMI, namun ini bertentangan dengan praktik umum (yang menganjurkan peningkatan urutan kapasitansi semakin dekat Anda ke catu daya). Kebanyakan orang tidak benar-benar peduli dengan EMI jika mereka membuat sirkuit untuk hobi mereka (meskipun amatir radio biasanya), tetapi menjadi tidak dapat dihindari ketika Anda merancang sirkuit untuk produksi massal.

Kapasitor (decoupling) BISA mengurangi radiasi elektromagnetik yang tidak diinginkan yang diproduksi oleh sirkuit Anda.

Untuk menjawab pertanyaan Anda yang tersisa ..

Bagaimana saya tahu jika saya membutuhkannya dan jika demikian, ukuran apa dan ke mana harus pergi?

Biasanya Anda menempatkan kapasitor decoupling bila memungkinkan, memilih ukuran fisik terkecil dengan nilai terbesar sedekat mungkin dengan pin catu daya IC.

Apakah SN74195N register geser akses paralel 4-bit yang digunakan dengan Arduino memerlukannya? (Untuk menggunakan proyek saya saat ini sebagai contoh) Mengapa atau mengapa tidak?

Mungkin akan bekerja dengan baik, tetapi mengapa repot-repot dengan 'mungkin' jika Anda dapat meningkatkan peluang dengan menempatkan komponen yang harganya beberapa sen, bahkan satu sen dalam beberapa kasus?

Hampir setiap IC harus memiliki kapasitor decoupling. Jika tidak ada yang ditentukan oleh lembar data, paling tidak, letakkan 0,1 uF tutup keramik di dekat pin daya IC, dengan nilai setidaknya dua kali tegangan yang Anda gunakan.

Banyak hal akan membutuhkan lebih banyak kapasitansi pada input. Anda sering dapat menemukan rekomendasi tersebut dalam lembar data, catatan aplikasi, atau skema kit evaluasi.

Mari kita mengambil beberapa keajaiban tentang topi memotong, dengan meningkatkan model rangkaian; 7400 gerbang keluarga terlihat seperti ini:

Gerbang ini, tersedia 3-dalam-satu-paket, menyediakan drive tinggi (fanout besar) dan kecepatan cepat. Di dalam 74195, kita tidak perlu semua drive itu. Kami membutuhkan kecepatan. Kami akan mengasumsikan shoot-thru 2mA per gerbang (~~ 15 gerbang per FF)

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Kita perlu menyimpan biaya yang cukup untuk 1uS aktivitas pencatatan jam sibuk. MENGAPA? Mengapa menggunakan 1uS? Karena kapasitor besar dan kabel panjang akan RING, dan mengganggu VDD di IC, kecuali dibasahi. Apa frekuensi dering? 1uH dan 1uF menghasilkan 0,159KHz. Bagaimana cara meredamnya?

Gunakan Q = 1 [didefinisikan sebagai Q = ZL / R = 2 (pi Fring L / R)] dan Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), kami menemukan Rdampen = sqrt (L / C). Untuk 1uH dan 1uF, perlu SATU OHM.

Pertimbangkan rangkaian ini untuk kontrol dering VDD yang baik:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Apa yang diberitahukan oleh Signal Chain Explorer tentang peredam 1_ohm ini?

Mengherankan? Insinyur logika juga perlu mendesain penyaringan VDD dan peredam VDD.

Untuk menjawab pertanyaan Anda secara singkat: DC tidak melewati kapasitor, AC tidak. Kebanyakan noise adalah AC coupled noise, atau / dan memiliki karakteristik AC, yaitu switching + - beberapa nilai DC. Untuk mengakomodasi perubahan ini, Anda menggunakan kapasitor DECOUPLING. Ini hanya memendekkan sinyal AC. Ada banyak catatan aplikasi hebat tentang mengapa dan bagaimana cara kerjanya: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Juga, pembicaraan tentang kapasitor penampung / penghalus - mengangkatnya di utas ini hanya membingungkan pendatang baru dalam hal terminologi.
Penghalusan dilakukan untuk menciptakan tegangan yang sangat mantap. Misalnya. Beberapa output sensor / sirkuit tergantung secara proporsional dengan tegangan suplai mereka. Riak-riak dalam pasokan akan secara langsung memengaruhi keluarannya.

Kapasitor adalah elemen penyimpanan dan akan menghemat energi dalam bentuk muatan. Kembali ke topi decoupling, itu juga disebut sebagai kapasitor bypass karena akan memotong pasokan riak dan tutup yang diisi ini akan mencoba untuk mempertahankan tegangan dc tetap pada pin VDD.

Mereka diperlukan untuk menurunkan impedansi sistem pengiriman daya. Pada frekuensi tinggi, catu daya menghadirkan impedansi seri yang tidak dapat diabaikan, terutama karena induktansi dari jaring daya. Lihatlah bagian "Rail collapse in Power Integrity" pada artikel berikut yang dapat membantu Anda memahami ide tersebut: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/