Apa gunanya kapasitor decoupling di dekat kapasitor reservoir?

58

Saya telah melihat beberapa sirkuit di mana kapasitor decoupling digunakan serta kapasitor reservoir, seperti ini (C4 dan C5):

masukkan deskripsi gambar di sini

Saya sudah membaca tentang decoupling kapasitor dan bagi saya sepertinya mereka dimaksudkan untuk menghilangkan fluktuasi kecil pada tegangan suplai. Lalu saya berpikir - bukankah itu tujuan dari kapasitor reservoir juga? Mengapa kapasitor reservoir tidak dapat menyaring fluktuasi kecil, jika ia mampu menyaring fluktuasi besar?

Jadi saya merasa memiliki kesalahpahaman mendasar di sini. Apa tujuan dari kapasitor decoupling di sebelah kapasitor reservoir, ketika kita asumsikan kita menempatkan keduanya sama-sama dekat dengan bagian pengkonsumsi daya? Atau apakah satu-satunya keuntungan dari kapasitor decoupling yang lebih kecil dan karena itu dapat dengan mudah ditempatkan lebih dekat ke bagian yang mengkonsumsi daya?


sumber
2
Camil, jangan khawatir tentang itu. Seperti yang dikatakan @ m.Alin, sebaiknya tunggu sehari atau lebih untuk melihat jawaban apa yang dikumpulkan sebelum memutuskan jawaban yang ingin Anda terima. Saya tahu bahwa saya sering melewatkan pertanyaan yang menerima jawaban, karena sudah "selesai" dan waktu saya lebih baik dihabiskan di tempat lain. Saya berharap orang lain juga melakukan ini. Jangan lupa untuk menerima jawaban saya nanti :-)
Olin Lathrop
3
Pertanyaan hampir duplikat: electronics.stackexchange.com/questions/25280/…
The Photon
2
Saat membaca jawaban, ingatlah bahwa Anda bisa mendapatkan 0,1 uF sebagai keramik dalam paket 0402, tetapi 100 uF mungkin akan menjadi elektrolitik ukuran-A atau lebih besar.
The Photon

Jawaban:

53

Alasan yang paling mungkin mengapa hal itu dilakukan adalah karena, dalam kehidupan nyata, kapasitor tidak memiliki bandwidth tak terbatas. Secara umum, semakin tinggi kapasitansi kapasitor, semakin sedikit kapasitansi yang dapat bereaksi terhadap frekuensi tinggi, sementara kapasitor bernilai kecil bereaksi lebih baik terhadap frekuensi yang lebih tinggi, seperti terlihat pada grafik di bawah ini. Menggunakan dua kapasitor dengan nilai berbeda secara bersamaan dilakukan hanya untuk meningkatkan respons penyaringan.

Grafik impedansi vs frekuensi untuk berbagai kapasitor

Kvegaoro
sumber
1
Ini bagan yang bagus. Saya bertanya-tanya seperti apa 100uf di dalamnya (sepertinya tidak ada gunanya menggunakan topi 100nf!). Dan, dari mana grafik itu berasal?
Bobbi Bennett
@ Bobbi 0,1 uF = 100 nF
m.Alin
1
@ m.Alin, perhatikan bahwa hanya ada satu bagian kecil dari spektrum di mana 0.1uF memiliki Z lebih rendah dari 2.2uF? Saya membayangkan 200uF dengan impedansi seri akan sedikit lebih tinggi dari 0,1 Ohm pada 10 Mhz, tetapi tidak pada grafik.
Bobbi Bennett
@ BobbiBennett Anda benar, tampaknya hampir tidak ada keuntungan 100nF ketika Anda membandingkannya dengan 2.2uF. Namun, perlu diingat bahwa ini adalah bagan logaritmik sehingga keuntungannya lebih besar dari yang Anda katakan. Juga, ukuran 100nF bisa menjadi keuntungan.
4
Bagan ini menunjukkan nilai yang berbeda dalam paket yang sama. 100 uF kemungkinan akan datang dalam paket yang lebih besar, sehingga kurva induktif akan lebih jauh ke kiri. 0,1 uF kemungkinan tersedia dalam paket yang lebih kecil, yang akan memindahkan kurva induktif lebih jauh ke kanan.
The Photon
29

Seperti yang Anda katakan, tutup decoupling dan tutup reservoir massal catu daya melayani dua tujuan yang berbeda. Anda benar karena tutup decoupling harus dekat secara fisik dengan konsumen dari kekuatan decoupling. Tutup massal dapat berada di mana saja di jaring daya karena berurusan dengan arus frekuensi rendah.

Namun, asumsi yang salah yang Anda buat adalah menganggap penempatan skematis menyiratkan penempatan fisik. Tidak. Dalam skema yang baik , akan ada beberapa petunjuk untuk penempatan fisik. Dalam hal ini kita tidak dapat mengetahui apakah kapasitor decoupling (C5) secara fisik dekat IC1 (di mana seharusnya) atau tidak.

Secara pribadi saya tidak akan menggambar skema seperti ini untuk alasan ini, dan saya pikir melakukannya tidak bertanggung jawab. Namun, perangkat lunak penangkap skematis akan menghasilkan daftar net yang sama, sehingga detailnya benar-benar sesuai dengan penempatan. Tanpa diagram tata letak papan, Anda tidak bisa mengatakannya. Saya biasanya menggambar tutup decoupling secara fisik dekat dengan bagian mereka untuk memberikan petunjuk bahwa ini adalah apa yang saya maksudkan dan bahwa saya telah memikirkannya. Ini adalah salah satu masalah yang saya sebutkan ketika berbicara tentang cara menggambar skema yang baik di https://electronics.stackexchange.com/a/28255/4512 .

Sayangnya, ada banyak skema buruk di luar sana.

Olin Lathrop
sumber
3
Ada banyak skema yang digambar dengan buruk untuk memastikan, tetapi saya berharap seorang desainer papan yang baik untuk mengetahui bagaimana cara membuat topi bypass terlepas dari penempatan fisik pada skema; menempatkan tutup bypass di dekat komponen kadang-kadang mungkin membantu, tetapi dalam beberapa kasus lain itu hanya menambah kekacauan.
supercat
6
@Supe: Selama desainer papan tahu mereka seharusnya topi bypass. Jika Anda tidak menunjukkan ini, Anda mengambil risiko. Kadang-kadang topi bypass dapat menambah kekacauan dan Anda bisa meletakkannya di sudut, tetapi kemudian setidaknya menaruh catatan di sana menjelaskan itu.
Olin Lathrop
3
Ketika masalah coupling dan decoupling sangat penting untuk kinerja desain, saya tidak akan pernah berasumsi bahwa desainer papan akan tahu apa yang harus dilakukan tentang penempatan tanpa diberitahu secara eksplisit. Memberi +1 pada jawaban Olin hanya untuk menunjukkannya. -1 to supercat untuk menyarankan sesuatu yang berbeda. (Kucing nakal!)
Jim
1
Ketika kita mengatakan bahwa kapasitor bypass harus dekat, seberapa jauh jarak secara realistis akan memengaruhinya? Apakah ada studi atau tes yang dilakukan? Apakah masalah utama resistensi trek atau kapasitansi trek atau sesuatu yang lain ...? Apakah ini untuk meminimalkan gangguan EM?
midnightBlue
2
@midn: Masalah utama adalah induktansi trek.
Olin Lathrop
22

Ketika dua atau lebih kapasitor decoupling dari nilai yang berbeda digunakan secara paralel, perlu dipertimbangkan resonansi paralel yang terjadi antara dua jaringan.

Clayton Paul menggambarkan fenomena ini. Pertimbangkan kopling paralel kapasitor C1, C2, dengan nilai yang berbeda dan C1 >> C2 dengan parasit L1 dan L2 tentang L1 = L2 yang sama (gambar 1.A).

Gbr.1

Kami menduga adalah frekuensi di mana kapasitor C1 beresonansi dengan induktor L1, dan frekuensi di mana kapasitor C2 beresonansi dengan induktor L2. f1f2

Di bawah frekuensi kedua jaringan terlihat kapasitif, dan total kapasitansi sama dengan jumlah dari dua kapasitor. Ini meningkatkan (sangat sedikit) decoupling pada frekuensi di bawah .f1f1

Di atas , kedua jaringan terlihat induktif dan induktansi total sama dengan dua induktor secara paralel, atau satu setengah induktansi. Ini meningkatkan decoupling pada frekuensi di atas .f2f2

Pada frekuensi antara resonansi dari dua jaringan ( ), rangkaian ekivalen dari dua jaringan adalah kapasitor secara paralel dengan induktor, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.b (sirkuit resonansi paralel). Ini menghasilkan resonansi (gambar 2), yang menjadi masalah ketika toleransi komponen lebih dari 50%.f1<f<f2

Masukkan deskripsi gambar di sini

Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa decoupling akan ditingkatkan pada frekuensi di atas (dan di bawah) frekuensi di mana kedua jaringan kapasitor beresonansi.
Decoupling sebenarnya akan lebih buruk pada beberapa frekuensi antara dua frekuensi resonansi ini, karena lonjakan impedansi yang disebabkan oleh jaringan resonansi paralel, yang buruk.

Neutrino
sumber
12

Perbedaan utama dalam kapasitor kecil dan kapasitor elektrolitik besar adalah respons frekuensi mereka. Kapasitor elektrolit memiliki spesifikasi yang buruk untuk frekuensi yang lebih tinggi dan akhirnya mungkin gagal karena ditekan oleh kebisingan frekuensi tinggi. Pada gilirannya, frekuensi tinggi yang hanya disaring sebagian kapasitor elektrolitik, mungkin berada di kisaran atas penguat Anda.

Kapasitor kecil dengan mudah menyaring kebisingan frekuensi tinggi, tetapi tentu saja memiliki sedikit efek ketika datang ke penyaringan riak catu daya frekuensi rendah.

jippie
sumber
5

Tidak semua kapasitor dibuat sama ... Kapasitor besar yang lebih besar tidak dapat merespons dengan cepat karena ESR dan ESL (Perlawanan Seri Setara dan Induktansi) yang bergantung pada peningkatannya.

Tentu saja ada kemampuan untuk mendekati seperti yang Anda sebutkan, tetapi secara umum skema yang baik akan memiliki kapasitansi lebih besar, lebih lambat dan lebih besar semakin jauh Anda menjauh dari sirkuit. frekuensi yang sesuai yang perlu ditangani juga turun, jika dilakukan dengan benar.

Apa yang membatasi kapasitansi decoupling kecil adalah resonansi diri dari topi itu sendiri dan induktansi dari kabel ikatan dalam paket (sekali lagi tergantung pada paket).

Skema penskalaan hierarkis ini berlanjut di dalam IC dengan node kritis memiliki kapasitor lokal untuk peristiwa frekuensi yang lebih tinggi. Tentu saja topi ini di bagian dalam adalah yang paling mahal dan terkecil dari semuanya.

placeholder
sumber