Les puces ont-elles vraiment besoin de plusieurs valeurs de condensateur de découplage dans les mêmes boîtiers?

Une question similaire est posée ici: règle des "deux condensateurs de contournement / découplage"? Mais cette question concernait les condensateurs de contournement parallèle sans mentionner la taille du boîtier (mais les réponses supposaient principalement des parties en parallèle avec des tailles de boîtier différentes), tandis que celle-ci concerne spécifiquement les condensateurs de bypass parallèle dans la même taille de boîtier.

J'ai récemment assisté à un cours sur la conception numérique à haute vitesse, où le conférencier a longuement expliqué que les performances d'un condensateur pour le découplage étaient presque entièrement limitées par son inductance, qui à son tour était presque entièrement due à sa taille et à son emplacement.

Son explication semble en contradiction avec les conseils donnés dans de nombreuses fiches techniques, qui suggèrent plusieurs valeurs de condensateur de découplage même si elles ont la même taille de boîtier.

Je pense que sa recommandation serait la suivante: pour chaque taille de boîtier, choisissez la capacité la plus élevée possible et placez-la aussi près que possible, avec des packages plus petits les plus proches.

Par exemple, dans un schéma de Lattice Semiconductor, ils suggèrent ce qui suit:

• 470pF 0201
• 10nF 0201
• 1uf 0306

Q1: Ce condensateur de 470pF est-il vraiment utile?

Q2: Ne serait-il pas logique de les remplacer tous les trois par un seul condensateur 1uF dans un boîtier 0201?

Q3: Quand les gens disent qu'un condensateur de valeur plus élevée est moins utile à des fréquences plus élevées, quelle part de cela est due à la capacité, et combien est due à la taille accrue du boîtier généralement associée à des bouchons plus grands?

C'est une question que je me pose de temps en temps, et je n'ai pas encore trouvé de réponse. J'ai fait une simulation avec LTSpice pour obtenir une sorte de réponse. J'ai choisi quelques condensateurs de Murata à peu près au hasard: 4,7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html et 100nF https://psearch.en.murata.com/ condensateur / produit / GRM152B31A104KE19% 23.html

J'ai réglé l'ESL pour les deux casquettes à 300p et l'ESR pour 100 nF à 30 m et pour 4,7 µF à 8 m. Avec ces valeurs, leur impédance semble correspondre assez bien à celle des graphiques de Murata. (Pour être précis, l'ESL n'est pas exactement le même, mais il est suffisamment proche, je vais donc utiliser la même valeur)

J'ai simulé avec seulement 4,7 µF, 4,7 µF + 100 nF et 2 x 4,7 µF. J'ai ajouté 1 inductance nH entre les condensateurs, pour simuler la trace les reliant.

Les résultats sont intéressants, mais pas très inattendus L'ajout de 100 nF augmente le filtrage, à l'exception de la fréquence d'antirésonance. L'ajout d'un autre 4,7 µF a le même effet, sauf qu'il n'y a pas d'antirésonance. Le 100 nF fonctionne mieux à sa fréquence d'auto-résonance, mais son effet est plus petit que les performances de filtrage perdues de l'antirésonance. Sur cette base, j'ajouterais simplement des condensateurs plus gros.

Mais, si vous avez par exemple eu un problème de bruit à 30 MHz, il est logique d'ajouter ce condensateur de 100 nF, car il filtre bien cette fréquence.

Q1: Ce condensateur de 470pF est-il vraiment utile?

À sa fréquence de résonance, c'est. S'il n'y a pas de bruit à cette fréquence, alors pas tant que ça.

Q2: Ne serait-il pas logique de les remplacer tous les trois par un seul condensateur 1uF dans un boîtier 0201?

Il serait probablement préférable d'ajouter deux condensateurs 1 µF 0201. Ensuite, si vous rencontrez des problèmes à une certaine fréquence, vous pouvez remplacer l'un d'eux par un condensateur qui a un SRF à cette fréquence. Vous pouvez également laisser l'autre non assemblé, mais les condensateurs sont bon marché, alors pourquoi s'embêter.

Q3: Quand les gens disent qu'un condensateur de valeur plus élevée est moins utile à des fréquences plus élevées, quelle part de cela est due à la capacité et combien est due à la taille accrue du boîtier généralement associée à des bouchons plus grands?

C'est à peu près la taille du paquet. Bien sûr, le SRF supérieur aide à nouveau, mais seulement si vous avez du bruit à cette fréquence. Sinon, il vaut mieux doubler la plus grande capacité.

La réponse est simple:

• Il n'y a pas de condensateurs diélectriques 10nF NP0 de taille 0201.

La capacité maximale pour ceux-ci est d'environ 1 nF. Donc, soit vous avez besoin d'un boîtier plus gros, soit vous devez vous en tenir au diélectrique X7R, qui se comporte moins bien à> 10 MHz.

Lisez la réponse en double pour toute la théorie, mais voici une bonne règle d'or:

Les condensateurs de plus grande valeur sont moins efficaces à des fréquences plus élevées et bien sûr les condensateurs de plus petite valeur ne seront pas efficaces à une fréquence plus basse.

Les différents condensateurs assurent donc chacun une stabilisation pour une bande de fréquence différente. Selon votre application et la quantité de «bruit» qu'elle génère à différentes fréquences, vous devez appliquer des condensateurs avec des valeurs spécifiques pour stabiliser le bus d'alimentation.

Une règle générale est d'au moins 1-10uF plus un 100nF, mais l'exemple ci-dessus semble assez bien pour un circuit avec une vitesse d'horloge élevée. Pour les applications audio, vous voulez quelque chose de similaire, mais avec une valeur beaucoup plus élevée pour répondre aux exigences du bus d'alimentation avec des fréquences musicales.

Q1: Oui, il tue l'oscillation et le bruit à haute fréquence. Q2: Non, vous pouvez avoir un problème de bruit haute fréquence.

PS: Les petits condensateurs doivent être placés le plus près des broches du CI pour minimiser l'inductance entre les broches du condensateur et les broches du CI. Les condensateurs de plus grande valeur peuvent être placés plus loin si nécessaire.

La mise en parallèle de deux types de condensateurs, comme un électrolytique et une céramique, fournira une faible impédance sur une plage de fréquences beaucoup plus large.

Les électrolytes ont une inductance importante. Leur impédance aux hautes fréquences ne sera souvent pas suffisante pour contourner une puce. Un condensateur en céramique dans la plage de 0,01 à 0,1 uF environ aura une faible impédance dans les dizaines de mégahertz, généralement.

J'utilise des amplis op dans des circuits linéaires. Les amplis opérationnels oscilleront et / ou présenteront une réponse transitoire très médiocre s'ils ne sont pas correctement contournés. Je soude un condensateur céramique 0,1 uF / 50V directement aux fils d'alimentation de la puce, au bas de la carte. Le condensateur électrolytique est choisi en fonction des exigences de charge placées sur la puce; 1 à 100 uF est courant. L'électrolyse doit être aussi proche que possible de la puce, mais 20-30 mm est généralement acceptable si nécessaire.