¿Cómo puedo caracterizar los circuitos de desacoplamiento?

Las "redes de desacoplamiento" son solo una parte de la eliminación de ruido de la red de suministro de energía (PDN), como la denominan Intel y Altera. Pueden consistir en muchas variaciones de componentes pasivos RLC, incluida la baja inductancia distribuida de los planos de alimentación/tierra y la alta capacitancia del pequeño espacio donde$Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}$

Me gustaría mostrar cómo un ejemplo simple con casi 60 dB de eliminación de ruido de reloj de 50 MHz con una simple C en un solo inversor CMOS, pero con algunos valores realistas de ESR, ESL y RC para el ruido de borde de la conducción cruzada de un CMOS simple Pch+Nch con Vt=1.5V tal que en Vgs=2.5 ambos FET ya conducen parcialmente con alguna unión Q = CV cargando el suministro.

Lo que significa es que los esquemas son solo diagramas lógicos, pero no muestran el ruido realista por encima de 10 MHz de CMOS ni el ruido de línea inducido por alta impedancia o inducción magnética.

El esquema de 2 inversores CMOS no lo muestra como realmente es.

Aquí el generador de ruido , que es un simple inversor CMOS de alta velocidad con una traza inductiva efectiva de un poco más de un cm en cada riel con capacitancia interna Ciss y Coss y Miller. Agregué un interruptor ideal con un límite de desacoplamiento para mostrar la atenuación de Vpp cuando agrega el límite con un interruptor.

Para referencias de antecedentes más detalladas;

AN 750: uso de la herramienta Altera PDN para optimizar su diseño de red de suministro de energía (PDN)

• https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/an/an574.pdf

Esquema de desacoplamiento de PCB: método de impedancia objetivo de dominio de frecuencia (FDTIM)

• https://www.intel.com/content/www/us/en/programmable/support/support-resources/support-centers/board-design-guidelines.html

Guía del usuario de la herramienta Altera PDN

• https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/ug/ug_dev_specific_pdn_20.pdf

Intel FPGA Powerplay y resumen de eliminación de ruido, notas de Quartus

• https://www.intel.com/content/www/us/en/support/programmable/support-resources/power/pow-powerplay.html

Resumen de PDN
https://www.intel.com/content/www/us/en/support/programmable/support-resources/signal-power-integrity/power-distribution-network.html

¿Qué es el ruido?

En términos más generales, el ruido es cualquier señal no deseada.

Las fuentes de alimentación se modelan comúnmente como fuentes de voltaje ideales. Para circuitos lógicos o analógicos de pequeña señal, es una fuente de voltaje de CC. No tiene variaciones del voltaje deseado. Tenga en cuenta que algunos circuitos requieren dos fuentes y algunos incluso más. Entonces

Para mi entendimiento, el ruido define las señales de alta frecuencia.

está cerca. Por lo general, es técnicamente cualquier señal de CA que no se desea. En los circuitos lógicos, los transitorios de alta frecuencia son la mayor fuente de problemas, pero en parte eso se debe a que es muy fácil deshacerse de los componentes de baja frecuencia. Excepto cuando no lo es. Por ejemplo, cuando se fabrican amplificadores de ultra alta impedancia (a niveles de pA), es fácil obtener corrientes de fuga de los componentes de CC que afectan a un amplificador y que requieren medidas como anillos de protección. La limpieza extrema puede entrar en juego en tales circuitos, y una huella dactilar en una placa de circuito impreso puede causar problemas. Incluso los circuitos lógicos pueden tener problemas ocasionalmente al usar CMOS (entradas de alta impedancia) y no limpiar el flujo de soldadura de una placa después de trabajar en ella.

Pero, por ejemplo, en los sistemas de audio, la mayor fuente de ruido suele ser las frecuencias de la línea eléctrica: 50 o 60 Hz y los armónicos.

Para evitar estas señales en mi circuito, necesitaría filtros de paso bajo, por lo que la impedancia del circuito es relevante. Pero, ¿es realmente tan fácil como medir la impedancia?

Especie de. Pero, ¿tiene alguna idea de lo difícil que es medir con precisión la impedancia a altas frecuencias? Debe familiarizarse con el concepto de componentes parásitos.

Además, hay cosas como fuentes externas que pueden ser captadas por efectos de antena, y hay problemas como bucles de tierra que pueden causar problemas reales. Si dos conductores corren uno al lado del otro y uno contiene una señal de CA, el otro conductor interceptará hasta cierto punto la radiación del primer conductor, y esto producirá lo que se llama diafonía, y que puede ser muy difícil de rastrear. abajo. Confía en mí en esto.

Esta guía de Murata es un buen punto de partida: https://www.murata.com/~/media/webrenewal/support/library/catalog/products/emc/emifil/c39e.ashx

¿Qué es el ruido? En su mayoría, los transitorios de conmutación se envían a los rieles de alimentación. El trabajo de una fuente de alimentación bien diseñada es proporcionar una impedancia muy baja al circuito integrado y, por lo tanto, minimizar el impacto de estos transitorios de conmutación.

La versión tl, dr es que puede bloquear el ruido usando inductancia o inductancia con pérdidas (p. ej., ferrita), pero en la mayoría de los casos el trabajo pesado se realiza desviando el ruido localmente usando capacitancia . A menudo, estas técnicas se usan juntas, así como una cuidadosa atención al diseño físico y la ubicación para obtener la mejor integridad de energía posible al menor costo en componentes y área de placa.

La clave para maximizar la eficacia de las tapas de derivación (derivación) es comprender los conceptos de área de bucle e inductancia parásita. Una regla general para la derivación de alta frecuencia es que la capacitancia es 1/10 de efectiva cuando se coloca en el troquel, en el paquete, cerca del IC a bordo y en la fuente de alimentación.

Si su aplicación es crítica y su proyecto se lo puede permitir, existen herramientas de integridad de energía de compañías como Ansys y otras que analizan su diseño físico para determinar la impedancia y el ruido.

Más aquí: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-siwave

La mayoría de los diseñadores no se molestan con este software y, en su lugar, utilizan la práctica tradicional de pasar por alto los pines de alimentación con límites de menor valor (como 0.1uF) y usan límites a granel más lejos y en la fuente de alimentación. Los suministros analógicos sensibles pueden obtener ferritas para bloquear el ruido digital.