Règle des «deux condensateurs de contournement / découplage»?

J'ai trouvé de nombreuses discussions sur les condensateurs de dérivation et leur objectif. Habituellement, ils se présentent sous la forme d'une paire de 0,1 uF et 10 uF. Pourquoi faut-il que ce soit une paire? Quelqu'un a-t-il une bonne référence à un article ou à un article, ou pourrait-il fournir une bonne explication? Je souhaite obtenir un peu de théorie sur pourquoi DEUX et le but de CHAQUE.

decoupling-capacitor

— Nazar
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voir aussi: electronics.stackexchange.com/questions/25280/…

— The Photon

et: electronics.stackexchange.com/questions/74509/…

— The Photon

Réponses:

Les vrais condensateurs ont une inductance et une résistance. L'objectif d'un condensateur de dérivation est de répondre rapidement aux transitoires de courant afin de maintenir une tension stable. L'inductance et la résistance en série vont à l'encontre de cet objectif.

schématique

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

À mesure que le courant à travers les condensateurs augmente, la tension sur les résistances augmente selon la loi d'Ohm. Cela va à l'encontre de l'objectif de maintenir une tension stable. À mesure que le courant à travers le condensateur change, la tension aux bornes des inductances change également (rappelez-vous: $v=L \frac{di}{dt}$ ), encore contre le but.

En mettant des condensateurs en parallèle, les capacités s'ajoutent. Habituellement, c'est bon, car plus de capacité résiste plus fortement aux changements de tension.

C_{e F F e c t je v e} = C_{1} + C_{2} + C_{3}

$C_{effective} = C_1 + C_2 + C_3$

Dans le même temps, les résistances ou inductances parallèles sont effectivement diminuées. L'inductance effective (les résistances sont similaires) de ce circuit est

L_{e F F e c t je v e} = \frac{1}{\frac{1}{L_{1}} + \frac{1}{L_{2}} + \frac{1}{L_{3}}}

$L_{effective} = \dfrac{1}{\dfrac{1}{L_1} + \dfrac{1}{L_2} + \dfrac{1}{L_3}}$

Ainsi, les condensateurs parallèles augmentent ce que vous voulez (capacité) et diminuent ce que vous ne voulez pas (inductance, résistance).

De plus, les condensateurs de faible valeur, en raison de leur plus petite taille, ont tendance à avoir une inductance plus faible et sont donc plus adaptés à un fonctionnement à fréquence plus élevée.

Bien sûr, cela ne fonctionne que jusqu'à un certain point, car toute manière réelle de connecter des condensateurs en parallèle ajoute de l'inductance. À un certain point, il y a suffisamment d'inductance ajoutée par le chemin à un condensateur supplémentaire pour que cela ne soit d'aucun avantage. Obtenir la disposition juste pour minimiser l'inductance est une partie importante de la conception des circuits haute fréquence. Jetez un oeil à tous les condensateurs autour d'un CPU pour une idée. Ici, vous pouvez en voir beaucoup au centre de la prise, et il y en a encore plus en bas de la carte qui ne sont pas visibles:

— Phil Frost
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http://www.ti.com/lit/an/scba007a/scba007a.pdf

Vous verrez le gros condensateur appelé condensateurs "en banque" ou "en vrac". Les plus petits sont bien entendu également des condensateurs "bypass". L'idée de base est que, dans le monde réel, les parasites d'un condensateur ne sont pas idéaux. Votre condensateur "de banque" aidera à la consommation d'énergie transitoire (changements dans le changement de courant réel) mais, en raison de problèmes réels, si du bruit RF (EMI) arrive sur la ligne, le plus petit condensateur de dérivation laissera ce bruit court à la terre avant qu'il ne se produise. arrive à votre IC. De plus, ces deux condensateurs aideront à supprimer les transitoires de commutation ainsi qu'à améliorer l'isolation des circuits.

Même si la physique est la même, la terminologie est modifiée pour leur fonction. Les condensateurs "banque" "fournissent" un petit supplément (comme une banque de charge). Les "bypass" permettent au bruit de contourner votre circuit intégré sans endommager le signal. Les condensateurs de "lissage" réduisent l'ondulation de l'alimentation. Les condensateurs de "découplage" isolent deux parties d'un circuit.

Donc, en pratique, vous mettez un plafond de banque à côté d'un plafond de contournement et il y a vos 10uF et 0,1uF. Mais deux est juste arbitraire. Vous avez des RF sur votre carte? Peut-être aussi besoin d'un cap de 1nF.

Un exemple simple d'impédance du monde réel peut être vu sur cette image. Un plafond idéal serait juste une grande pente descendante pour toujours. Cependant, les plus petits plafonds sont meilleurs à des fréquences plus élevées dans le monde réel. Donc, vous empilez DEUX (ou TROIS, ou TOUTEFOIS BEAUCOUP) côte à côte pour obtenir l'impédance totale la plus faible.

impédance "d'empilement"

J'ai cependant lu des opinions dissidentes à ce sujet, disant que la résonance de soi entre les deux crée en fait une impédance ÉLEVÉE à certaines fréquences et devrait être évitée, mais c'est pour une autre question.

— scld
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J'aime vraiment cette réponse, mais les "edit" et "edit 2" à la fin sont particulièrement distrayants. Pourquoi ne pas intégrer ces informations dans le corps de la réponse? Si quelqu'un a vraiment besoin de voir l'historique des modifications (et la plupart des gens ne le font pas), il peut le voir via le lien "modifié il y a X" en bas. La plupart des gens ne se soucient pas que vous ayez modifié la réponse: ils veulent juste la réponse la plus pertinente, présentée de la manière la plus lisible, la première fois qu'ils la lisent.

— Phil Frost

Je vais essayer de le dire un peu plus simplement.

Les plus petits bouchons sont appelés bouchons de dérivation, mais leur objectif principal est de traiter les pointes à haute fréquence. Ils doivent être petits pour décharger et charger rapidement en réponse à la fréquence à laquelle les pointes entrent.

Les plus gros caps sont appelés bouchons en vrac, et ceux-ci traitent de plus grandes fluctuations actuelles. Surtout si vous mettez soudainement une énorme charge sur un rail, vous aurez besoin de plus gros bouchons pour aider à fournir la nouvelle charge.

De plus, le fait d'avoir deux condensateurs permet également de réduire leur résistance de série équivalente (ESR), un attribut variable hérité, et cela devient particulièrement important lors de la fabrication d'alimentations embarquées.

— Funkyguy
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Comment un petit condensateur peut-il se décharger plus rapidement en réponse à des transitoires rapides? Qu'entendez-vous par décharge rapide: répondre aux transitoires de courant pour maintenir rapidement une tension stable ou se vider de toute l'énergie stockée en peu de temps? Vider le condensateur d'énergie stockée est-il quelque chose que vous voulez faire?

— Phil Frost

Un condensateur physiquement petit a moins d'inductance et peut donc délivrer sa charge (et la récupérer) plus rapidement. Malheureusement, un petit condensateur physiquement ne peut stocker qu'une quantité relativement faible de charge

— Martin Thompson

@MartinThompson Je le sais, mais ce n'est pas ce que dit la réponse. Il dit simplement que "[les petits condensateurs] doivent être petits pour se décharger et se charger rapidement en réponse à la fréquence des pointes".

— Phil Frost du

L'essentiel est que l'inductance d'un capuchon plus grand est importante aux hautes fréquences associées aux commutations transitoires. Typiquement, le plus grand capuchon sera électrolytique, et ceux-ci sont constitués de deux couches de feuille enroulées, d' où l'inductance. Mais ils offrent beaucoup de capacité dans un petit espace, ils peuvent donc stocker plus de charge, mais relativement lentement. Le petit capuchon est généralement du type à disque, donc beaucoup moins d'inductance, mais aussi beaucoup moins de capacité dans le même volume. Ainsi, chaque casquette compense les points faibles de l'autre.

— peterG

OK, encore une fois, très bien, mais la réponse ne dit pas cela. Mon commentaire visait à suggérer une amélioration de la réponse, et non à solliciter plus de réponses comme commentaires dans la réponse de quelqu'un d'autre.

— Phil Frost