Différence: filtre passe-bas et grand condensateur?

Lorsque vous travaillez avec des microcontrôleurs, il est recommandé de placer des condensateurs de filtrage / découplage entre une broche d'alimentation et la masse. Je comprends le but de cette implémentation, à savoir que la tension aux bornes d'un condensateur ne peut pas changer instantanément, mais quelles sont les différences remarquables entre un condensateur singulier et un filtre passe-bas?

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

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Par exemple, si je voulais fournir à ma tension de référence ADC une alimentation propre pour comparer les tensions d'entrée, je pourrais soit réaliser un filtre passe-bas pour rejeter les fluctuations à haute fréquence, soit simplement insérer un condensateur de taille adéquate.

Ma pensée immédiate est que la demande de courant initiale d'un condensateur singulier pourrait momentanément dépasser la valeur maximale du MCU, mais avec une résistance, ce courant serait limité. Ne serait-ce pas qu'avec un LPF (avec une résistance) on pourrait potentiellement concevoir de telle sorte que l'impédance de sortie du filtre soit infinie pour ne pas charger l'ADC? De même, un condensateur à lui seul fournirait un filtrage de tension suffisant, mais n'entraînerait-il pas une faible impédance de sortie?

Quels sont les avantages et les inconvénients de chaque réalisation de filtrage, et quand un concepteur doit-il utiliser l'un ou l'autre?

D'autres réflexions?

Le capuchon près de la broche d'alimentation n'est pas pour protéger la pièce du bruit, mais pour l'empêcher de générer du bruit car la commutation logique provoque des changements rapides du courant d'alimentation. Idéalement, le capuchon fournirait des demandes instantanées pour plus de courant sans augmenter le courant jusqu'à la source d'alimentation.

La somme des impédances du côté PSU du circuit - l'impédance interne du PSU plus l'inductance, la résistance et la capacité des traces ou des plans - est suffisante pour donner un filtrage passe-bas du côté entrée du capuchon. Je pense que le capuchon est une toute petite alimentation qui peut répondre aux demandes avec une bande passante dans la gamme de plusieurs MHz. Les plus grands régulateurs qui fournissent un circuit complet réagissent beaucoup trop lentement et le capuchon est une source temporaire d'énergie qui remplace ou contourne (ou découplage) le bloc d'alimentation. Placer le capuchon près de la broche d'alimentation sur une puce minimise la résistance et l'inductance qui ralentiraient la réponse.

Les pièces CMOS consomment la majeure partie de leur puissance lors de la commutation d'état. Pour les microprocesseurs, cela signifie sur les bords de l'horloge et le tirage actuel est en petits pics rapides. La taille des pointes varie aussi vite que l'horloge car chaque instruction utilise différentes combinaisons de circuits internes. Imaginez les circuits utilisés pour vérifier un registre pour zéro par rapport à la récupération de données de la RAM. La puissance nécessaire varie à la fréquence d'horloge. Plus les changements actuels sont importants, plus le plafond est grand. Le calcul de la bonne taille est une question d'estimation pour la plupart d'entre nous et le capuchon en céramique 0,1 uF est si courant qu'il est très peu coûteux. La construction des condensateurs est également une préoccupation ainsi que le changement avec la température. Certains peuvent réagir plus rapidement que d'autres et certains varient de 80% sur la plage de température commerciale.

Ils sont également appelés bouchons de dérivation pour les raisons suivantes: 1) Ils peuvent «contourner» (court) le bruit des PSU haute fréquence à la masse. 2) Ils peuvent "contourner" le bloc d'alimentation et répondre aux demandes de haute fréquence de puissance.

Aussi appelé "capuchons de découplage", un terme plus précis pour les hautes fréquences car ils "découplent" la demande de puissance entre la pièce et le bloc d'alimentation.

La réponse courte:

Un condensateur seul est bon pour fournir de l'énergie lorsque la consommation d'énergie du MCU change rapidement. Le filtre RC est utilisé pour bloquer les signaux haute fréquence indésirables.

La réponse looong:

Les deux circuits différents sont utilisés à des fins différentes. Comme vous l'avez dit, la tension aux bornes d'un condensateur ne peut pas changer instantanément.

Je suis sûr que tu le sais

1. Un MCU nécessite une tension minimale pour fonctionner
2. Un MCU nécessite une puissance variable pendant son fonctionnement

Étant donné que la puissance est égale à la tension * courant (P = VI) et que la tension doit être constante, tout changement de puissance se manifeste comme un changement de courant.

Pour une conception hypothétique avec un régulateur de tension et un MCU:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Supposons que nous supprimions C2:

^{simuler ce circuit}

(Désolé pour les différents schémas, je n'ai pas créé de compte pour ce site schématique et je dois continuer à le redessiner)

Si le régulateur de tension qui alimente le MCU était parfait et qu'il n'y avait pas d'inductance parasite ou de résistance aux traces, le MCU tirerait une quantité variable de courant et le régulateur ne baisserait pas ou n'augmenterait pas sa tension. Malheureusement, dans le monde réel, un circuit imprimé ressemble plus à ceci:

^{simuler ce circuit}

(Note rapide: dans ce contexte, une inductance peut être considérée comme une résistance à haute fréquence)

En raison de l'inductance parasite de la carte, de la résistance aux traces et du fait que les régulateurs ne peuvent pas répondre instantanément aux changements de consommation de courant, la tension va baisser et augmenter à mesure que le MCU consomme plus ou moins de courant respectivement.

Comme référence, voici un graphique d'une fiche technique LM7805

ST 7805

Cela montre le temps de réponse fini de la tension de sortie régulée LM7805 (le triangle plonge et bosse sur la ligne du bas) lorsque la charge augmente et diminue. Si le régulateur était parfait, la «déviation de tension» n'augmenterait ni ne diminuerait en cas d'augmentation ou de diminution relativement rapide du courant.

Je comprends que les inductances peuvent être un peu déroutantes à utiliser au début, donc pour des raisons de simplicité, vous pouvez remplacer l'inductance dans le schéma ci-dessus par une résistance et ajouter les deux résistances ensemble et vous avez une résistance entre votre régulateur et le MCU. C'est mauvais car V = IR et plus le MCU tire de courant, plus une chute de tension sera visible à travers la résistance. (J'expliquerai plus sur ce que font ces résistances ci-dessous lorsque je parlerai des filtres RC.

Retour à la conception originale. Le condensateur de dérivation est placé aussi près que possible du MCU de sorte que toutes les inductances et résistances trouvées sur une carte de circuit imprimé et le fait qu'un régulateur ne puisse pas répondre instantanément n'affecteront pas le niveau de tension sur le MCU.

Pour votre deuxième circuit (RC)

^{simuler ce circuit}

La raison pour laquelle une résistance ne doit pas être ajoutée pour contourner un MCU est que la tension aux bornes d'une résistance est relative au courant qui est consommé à travers elle. Ceci est important car si un MCU fonctionne à 5V et tire 10mA au repos (fonctionnant sans rien faire) alors il y a une chute de tension à travers cette résistance de:

R * 10mA = Vdrop

Donc, si vous aviez une résistance de 50 ohms, vous perdriez 0,5 V, cela pourrait réinitialiser votre MCU.

Un filtre passe-bas tel que le filtre RC que vous avez dessiné là-bas n'est pas bon pour fournir de l'énergie mais est utile pour filtrer les composants haute fréquence d'un signal.

Ceci est idéal pour les signaux qui sont lus avec un ADC, car un ADC ne peut échantillonner qu'à un taux spécifique, donc si un signal change à un taux supérieur aux signaux haute fréquence (vraiment la moitié du taux en raison du théorème de Nyquist ) apparaîtra comme un bruit aléatoire, il est donc bon de le supprimer avec un filtre RC.

Par exemple, disons que vous avez un ADC qui échantillonne à un taux de 10Khz

et que vous souhaitez lire un capteur analogique qui ne change qu'à une fréquence de 1 kHz, vous pouvez configurer votre filtre RC pour filtrer les signaux supérieurs à 5 kHz (vous ne voudrez probablement pas commencer à filtrer à 1 kHz, car un filtre RC a un petit atténuation inférieure à la fréquence à laquelle il est conçu pour filtrer.

Donc, pour concevoir un filtre RC pour y parvenir, vous pouvez utiliser une résistance de:

330 Ohms et une capacité de .1uF

Voici une excellente calculatrice si vous devez résoudre ce problème pour d'autres fréquences:

Awesome RC Calculator

J'espère que je suis resté assez sur le sujet pour répondre à votre question.

La différence est que le fait de ne placer que le condensateur dépend à la fois de l'impédance d'alimentation et de l'impédance d'alimentation de la puce pour constituer le reste du filtre passe-bas. Autrement dit, les deux instances créent un LPF, la résistance explicite sert simplement à le régler.

Tu as raison. Il s'agit d'une technique de découplage et nous devons suivre les suggestions des fabricants. Le découplage typique consiste en:

-> Un grand condensateur électrolytique (10 ~ 100μF) à 5 cm maximum de la puce. L'objectif de ce condensateur est de fournir «localement» les besoins en courant instantané, en évitant de prélever cette puissance sur la piste d'alimentation principale et leur impédance. o Il s'agit d'un condensateur à faible ESR. -> Un condensateur plus petit (0,01 μF - 0,1 μF) le plus près possible des broches d'alimentation du CI, pour chasser les composants HF du CI. Les deux condensateurs doivent être connectés à une masse de grande surface sur PCB pour une inductance minimale. -> Un lit de ferrite sur série avec broche Vcc d'IC, pour réduire les EMI vers et depuis cet IC.

Comme vous pouvez en juger, les techniques ci-dessus sont générales pour les circuits intégrés linéaires et numériques. Mais le filtre RC que vous dessinez, il est dédié au découplage IC numérique. Les changements d'état des portes numériques provoquent une fluctuation de la tension PS en raison de l'impédance des traces. Le bruit haute fréquence peut être minimisé en utilisant des topologies RC ou LC. Dans le filtre LC, le bruit apparaît à travers la bobine plutôt que dans la puce ou passant dans le circuit d'alimentation. Il fournit un filtrage très efficace mais il a une fréquence de résonance qui peut rayonner EMI. Un lit de ferrite peut être utilisé à la place de l'inducteur.

Le filtre RC dont vous parlez, convertit le bruit en chaleur et en tant que tel est dissipé. L'inconvénient est que la résistance introduit une chute de tension dans la tension fournie. En revanche, le filtre RC est moins cher. Parfois, vous pouvez trouver une résistance bobinée au lieu d'une inductance

Ce qui précède est recommandé par Silicon Labs et Analog Devices

Le filtre passe-bas est utilisé pour bloquer les signaux haute fréquence et les signaux sonores supérieurs à une fréquence particulière. La résonance se produit à cette fréquence particulière. Tous les signaux au-dessus de la fréquence de résonance seront mis à la terre et à propos du condensateur singulier, vous l'avez décrit de la même manière.

Le filtre RC est utilisé à la place du filtre LC à des fins économiques.