D'où vient la valeur de 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation?

Presque tout le monde recommande 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation. Pourquoi cette valeur? Je suppose qu'il n'y a aucun mal à utiliser des valeurs plus grandes, est-ce donc simplement un "minimum raisonnable"? Et si oui, pourquoi les gens optent-ils pour le minimum plutôt que d'utiliser des valeurs plus élevées - il me semble que vous pouvez obtenir des valeurs plus élevées sans frais supplémentaires.

Les condensateurs de valeur supérieure ne seront pas aussi efficaces pour traiter le courant haute fréquence consommé par la puce. Au-dessus d'une certaine fréquence, un condensateur commencera à se comporter comme une inductance. La valeur où sa caractéristique change est la résonance propre en série de l'appareil: -

Ainsi, vous constaterez que sur les appareils à micro-ondes, des condensateurs 100pF sont également présents comme découplage avec les condensateurs en vrac. Voici un exemple de trois condensateurs découplant un FPGA: -

La courbe noire est l'impédance composite des trois condensateurs utilisés. Pris d' ici .

D'où vient la valeur de 0,1 uF pour les condensateurs de dérivation?

C'est un bon compromis entre la capacité en vrac et la capacité haute fréquence MAIS si vous concevez des radios, votre découpleur par défaut peut être 10nF ou 1nF (UHF). Si vous concevez des trucs numériques à très haute vitesse, vous pouvez également utiliser 2 ou 3 valeurs différentes en parallèle comme dans l'image FPGA ci-dessus.

Tout le monde ne recommande pas 0,1 uF comme condensateur de découplage, bien que ce soit un bon point de départ pour le 74HC et la logique à porte unique. La réponse de Kevegaro ici est bonne.

Par exemple, pour les FPGA Xilinx, voici une recommandation pour les condensateurs de dérivation:

Ils recommandent 33 condensateurs de trois valeurs différentes par appareil.

L'explication d'Andy est belle et approfondie. Si vous le trouvez difficile à saisir, cela peut vous aider à visualiser le fonctionnement du découplage en termes simples. Dans votre esprit, imaginez une vue 3D de votre carte, elle a une charge (CI, etc.) et une source d'alimentation. La charge peut soudainement "demander" plus de courant à l'alimentation, mais il faut du temps pour que le courant de l'alimentation atteigne la charge sur la distance de trace et la résistance de trace. La résistance intégrée de l'alimentation elle-même ou le temps nécessaire à une alimentation de commutation pour détecter la nouvelle demande actuelle et l'ajuster (bande passante d'alimentation) est également un facteur. Bref, une alimentation ne fournit pas de courant instantanément, cela prend du temps.

Comme la charge attend l'arrivée du courant, elle n'a pas d'autre choix que de baisser la tension pour compenser le courant "manquant". Il doit obéir à la loi V = IR, la charge a diminué sa résistance (R) pour "indiquer" qu'il a besoin de plus de puissance, il n'y avait plus de courant immédiatement disponible donc je reste le même, donc V doit diminuer pour compenser.

Alors, comment pouvons-nous résoudre cela? Nous avons mis de petits condensateurs près de la charge. Ces condensateurs sont de petites «banques de charges» dont la charge peut rapidement se retirer pendant une demande excessive, plus rapidement que d'attendre que le courant sorte de l'alimentation. Pourquoi est-ce plus rapide? Parce que la distance entre le condensateur et la charge est plus courte et parce que la résistance intégrée d'un condensateur est beaucoup plus petite qu'une alimentation. Si "I" est immédiatement disponible, "V" n'a pas besoin de compenser - tout le monde est content.

Bien que beaucoup plus rapides que les alimentations, les condensateurs mettent également du temps à se "décharger" et à alimenter la charge proportionnellement à leur résistance interne qui augmente avec la capacité (farads). Donc, en bref, les condensateurs plus grands prennent plus de temps pour fournir le courant nécessaire. Vous devez donc choisir un condensateur de dérivation suffisamment rapide pour répondre à la charge, mais qui contient également suffisamment de charge pour répondre à la demande pendant que le courant de l'alimentation se déplace vers la charge.

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

Comme mentionné précédemment, pour une logique commune, il s'agissait d'un bon compromis entre le temps de réponse et les exigences de capacité des bouchons de dérivation aux demandes de charge. Vous pouvez sortir la calculatrice et découvrir exactement quelle est la meilleure valeur, mais il y a aussi des coûts de nomenclature à considérer. Si vous ajustez chaque condensateur de dérivation à sa charge, vous vous retrouverez avec beaucoup plus d'articles sur votre nomenclature et cela coûtera très rapidement! 0,1 uF pour la plupart des circuits logiques ou pour les circuits à grande vitesse 0,01 uF (100 nF) est généralement un bon choix. Économisez de l'argent dans votre nomenclature où vous le pouvez dans les limites de l'application.

Pour les charges qui modifient fréquemment la demande de courant (charges à haute fréquence), il existe d'autres moyens de contourner le temps de réponse par rapport au problème de capacité des condensateurs de dérivation. Vous pouvez:

1. Utilisez un meilleur régulateur de puissance avec une bande passante plus élevée afin qu'il ne soit pas si long d'obtenir de la source à la charge.
2. Mettez deux condensateurs en parallèle. Deux résistances en parallèle diminuent la résistance totale et ce n'est pas différent avec les résistances internes des condensateurs. Les condensateurs combinés ont donc une capacité accrue et un temps de réponse accru!
3. Vous pouvez utiliser des bouchons parallèles de capacité différente, grand copain et petit copain. Donc, l'un pourrait être 0,01 uF et un autre 0,1 uF. Le premier ayant une réponse rapide et le second en retard un peu en réponse mais fournissant du courant pour une durée plus longue.
4. Vous pouvez également distribuer la capacité dans votre circuit mais pas nécessairement au point de charge. Cette réponse du réservoir de charge est plus rapide que la source d'alimentation, vous pouvez donc utiliser des condensateurs de contournement plus petits à la charge, sachant que vos réservoirs de charge distribués absorberont le mou de l'alimentation.

Ceci est une vue simplifiée de tout. Il y a plus de facteurs, en particulier dans les circuits à grande vitesse. Mais si vous pouvez imaginer les principes électriques de base en jeu dans votre circuit comme un système dynamique d'approvisionnement et de demande, beaucoup de "meilleures pratiques" que nous lisons deviennent du bon sens. Une analogie plus simple pourrait être la chaîne d'approvisionnement d'Amazon. Leur objectif: fournir des articles aussi rapidement que possible partout aux États-Unis. Leur solution, des entrepôts proches de chaque ville, moins de temps de réponse pour sortir les articles de l'entrepôt et du camion. Vient ensuite la livraison par drone. C'est une bataille logistique de l'offre et de la demande et un compromis entre le temps de réponse et la capacité en fonction de la taille de chaque nœud de distribution et des coûts!

Une très bonne vidéo d'EEVBlog sur les facteurs pour les condensateurs parallèles: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

La recommandation d'utiliser plusieurs valeurs, telles que 100nF + 10µF, vient des années 90 et 80, lorsque 100nF était le condensateur céramique le plus élevé facilement disponible avec une réponse décente à haute fréquence. Le condensateur de 10 µF serait un condensateur électrolytique ou au tantale avec un mauvais comportement à haute fréquence.

Cela a complètement changé aujourd'hui. Maintenant, vous pouvez facilement acheter des céramiques de 10µF en paquets 0603 ou même 0402. Pour les condensateurs en céramique, la réponse haute fréquence n'a rien à voir avec la valeur du condensateur et tout à voir avec la taille du boîtier du condensateur.

Avec les condensateurs modernes, il est généralement inutile de connecter un 100nF en parallèle avec un 10µF.

Vous pouvez facilement voir dans le diagramme ci-dessous que les condensateurs céramiques modernes de haute valeur sont aussi bons que les condensateurs de faible valeur pour les hautes fréquences, tant que la taille du boîtier est la même. (Les petits creux négatifs sont les fréquences de résonance. Vous ne voulez pas vous fier à la fréquence de résonance pour les condensateurs de découplage, donc ces creux doivent être ignorés)

_{(Source de l'image: Analog Dialogue, septembre 2005 - Un guide pratique pour la mise en page de circuits imprimés à grande vitesse )}