Diferencia: ¿filtro de paso bajo y condensador grande?

La tapa cerca del pin de alimentación no es para proteger la pieza del ruido, sino para evitar que la pieza genere ruido, ya que la conmutación lógica provoca cambios rápidos en la corriente de suministro. Idealmente, la tapa supliría las demandas instantáneas de más corriente sin aumentar la corriente hasta la fuente de alimentación.

La suma de las impedancias en el lado de la fuente de alimentación del circuito (la impedancia interna de la fuente de alimentación más la inductancia, la resistencia y la capacitancia de las trazas o planos) es suficiente para proporcionar un filtrado de paso bajo en el lado de entrada de la tapa. Pienso en la tapa como una pequeña fuente de alimentación que puede responder a las demandas con un ancho de banda en el rango de varios MHz. Los reguladores más grandes que alimentan un circuito completo reaccionan con demasiada lentitud y la tapa es una fuente temporal de energía que reemplaza o desvía (o desacopla) la fuente de alimentación. Colocar la tapa cerca del pin de alimentación en un chip minimiza la resistencia y la inductancia que ralentizarían la respuesta.

Las partes CMOS consumen la mayor parte de su energía mientras cambian de estado. Para los microprocesadores esto significa en los bordes del reloj y el consumo de corriente es en pequeños picos rápidos. El tamaño de los picos varía tan rápido como el reloj, ya que cada instrucción usa diferentes combinaciones de circuitos internos. Imagine el circuito utilizado para verificar un registro en lugar de cero en lugar de obtener datos de la RAM. La potencia necesaria fluctúa a la velocidad del reloj. Cuanto mayores sean los cambios actuales, mayor será el límite. Calcular el tamaño correcto es una cuestión de estimación para la mayoría de nosotros y la tapa de cerámica de 0.1uF es tan común que tiene un costo muy bajo. La construcción de condensadores también es una preocupación, así como el cambio con la temperatura. Algunos pueden responder más rápido que otros y algunos varían en un 80 % sobre el rango de temperatura comercial.

También se denominan tapones de derivación porque: 1) Pueden "desviar" (cortar) el ruido de la fuente de alimentación de alta frecuencia a tierra. 2) Pueden "pasar por alto" la fuente de alimentación y responder a demandas de energía de alta frecuencia.

También llamados "límites de desacoplamiento", un término más preciso para las altas frecuencias, ya que "desacoplan" la demanda de energía entre la pieza y la fuente de alimentación.

La respuesta corta:

Un condensador por sí solo es bueno para suministrar energía cuando el consumo de energía de la MCU cambia rápidamente. El filtro RC se utiliza para bloquear señales de alta frecuencia no deseadas.

La larguísima respuesta:

Los dos circuitos diferentes se utilizan para propósitos diferentes. Como ha dicho, el voltaje a través de un capacitor no puede cambiar instantáneamente.

estoy seguro de que lo sabes

1. Una MCU requiere un voltaje mínimo para operar
2. Una MCU requiere una cantidad variable de energía durante la operación

Dado que la potencia es igual al voltaje * corriente (P = VI) y el voltaje debe ser constante, cualquier cambio en el poder se manifiesta como un cambio en la corriente.

Para un diseño hipotético con un regulador de voltaje y una MCU:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Digamos que eliminamos C2:

^{simular este circuito}

(Perdón por los diferentes esquemas, no he configurado una cuenta para ese sitio de esquemas y necesito seguir redibujándolo)

Si el regulador de voltaje que está suministrando energía a la MCU fuera perfecto y no hubiera inductancia parásita o trazas de resistencia, la MCU consumiría una cantidad variable de corriente y el regulador no bajaría ni aumentaría su voltaje. Desafortunadamente, en el mundo real, una placa de circuito se parece más a esto:

^{simular este circuito}

(Nota rápida: en este contexto, se puede pensar en un inductor como una resistencia a alta frecuencia)

Debido a la inductancia parásita de la placa, la resistencia de rastreo y el hecho de que los reguladores no pueden responder a los cambios de consumo de corriente instantáneamente, el voltaje caerá y aumentará a medida que la MCU consume más o menos corriente, respectivamente.

Como referencia, aquí hay un gráfico de una hoja de datos LM7805

ST 7805

Esto muestra el tiempo de respuesta finito del voltaje de salida regulado del LM7805 (el triángulo cae y sube en la línea inferior) a medida que la carga aumenta y disminuye. Si el regulador fuera perfecto, la 'desviación de voltaje' no subiría ni bajaría cuando hay un aumento o disminución relativamente rápido de la corriente.

Entiendo que los inductores pueden ser un poco confusos de usar al principio, por lo que, en aras de la simplicidad, puede reemplazar el inductor en el esquema anterior con una resistencia y agregar las dos resistencias juntas y tiene una resistencia entre su regulador y MCU. Esto es malo porque V = IR y cuanto más corriente consume la MCU, más caída de voltaje se verá en la resistencia. (Explicaré más sobre lo que hacen estas resistencias a continuación cuando hable sobre los filtros RC.

Volver al diseño original. El capacitor de derivación se coloca lo más cerca posible de la MCU para que todas las inductancias y resistencias que se encuentran en una placa de circuito y el hecho de que un regulador no pueda responder instantáneamente no afecten el nivel de voltaje en la MCU.

Para su segundo circuito (RC)

^{simular este circuito}

La razón por la que no se debe agregar una resistencia para derivar una MCU es porque el voltaje a través de una resistencia es relativo a la corriente que pasa por ella. Esto es importante porque si una MCU funciona a 5 V y consume 10 mA en reposo (operando sin hacer nada), entonces hay una caída de voltaje en esa resistencia de:

R * 10mA = Caída de V

Entonces, si tuviera una resistencia de 50 ohmios, dejaría caer .5V, esto podría restablecer su MCU.

Un filtro de paso bajo como el filtro RC que dibujó allí no es bueno para suministrar energía, pero es útil para filtrar los componentes de alta frecuencia de una señal.

Esto es excelente para las señales que se leen con un ADC porque un ADC solo puede muestrear a una velocidad específica, por lo que si una señal cambia a una velocidad mayor que las señales de alta frecuencia (realmente la mitad de la velocidad debido al teorema de Nyquist ) aparecerá como ruido aleatorio, por lo que es bueno eliminarlo con un filtro RC.

Como ejemplo, suponga que tiene un ADC que muestrea a una velocidad de 10Khz

y desea leer un sensor analógico que solo cambia a una velocidad de 1 KHz, entonces puede configurar su filtro RC para filtrar señales superiores a 5 Khz (probablemente no quiera comenzar a filtrar a 1 Khz porque un filtro RC tiene un pequeño cantidad de atenuación por debajo de la frecuencia a la que está diseñado para filtrar.

Entonces, para diseñar un filtro RC para lograr esto, puede usar una resistencia de:

330 ohmios y una capacitancia de .1uF

Aquí hay una gran calculadora si necesita resolver esto para otras frecuencias:

Impresionante calculadora RC

Espero haberme centrado lo suficiente en el tema para responder a tu pregunta.

La diferencia es que colocar solo el capacitor depende tanto de la impedancia de la fuente de alimentación como de la impedancia de la fuente del chip para formar el resto del filtro de paso bajo. Es decir, ambas instancias crean un LPF, la resistencia explícita es simplemente para sintonizarlo.

Tienes razón. Esta es una técnica de desacoplamiento y tenemos que seguir las sugerencias de los fabricantes. El desacoplamiento típico consiste en:

--> Un condensador electrolítico grande (10~100 μF) a no más de 5 cm del chip. El objetivo de este condensador es suministrar “localmente” los requerimientos de corriente instantáneos, evitando tomar esta potencia del camino de alimentación principal y su impedancia. o Este es un condensador ESR bajo. --> Un capacitor más pequeño (0.01 μF – 0.1 μF) más cerca posible de los pines de alimentación del IC, para sacar los componentes de HF del IC. Ambos capacitores deben conectarse a un área grande de tierra en la PCB para lograr una inductancia mínima. --> Una cama de ferrita en serie con pin Vcc de IC, para reducir EMI hacia y desde este IC.

Como puede juzgar, las anteriores son técnicas generales para IC lineal y digital. Pero el filtro RC que está dibujando, está dedicado al desacoplamiento de IC digital. Los cambios en el estado de las puertas digitales hacen que el voltaje de PS fluctúe debido a la impedancia de las trazas. El ruido de alta frecuencia se puede minimizar utilizando topologías RC o LC. En el filtro LC, el ruido aparece a través de la bobina en lugar de en el chip o pasando por el circuito de suministro de energía. Proporciona un filtrado muy eficiente pero tiene una frecuencia resonante que puede irradiar EMI. Se puede usar una cama de ferrita en lugar de un inductor.

El filtro RC que mencionas, convierte el ruido en calor y, como tal, se disipa. Con es que la resistencia introduce una caída de voltaje en el voltaje suministrado. Por otro lado, el filtro RC es menos costoso. Algunas veces puede encontrar una resistencia de bobinado de alambre en lugar de un inductor

Los anteriores son recomendados por Silicon Labs y Analog Devices

El filtro de paso bajo se usa para bloquear señales de alta frecuencia y ruido por encima de una frecuencia particular. La resonancia ocurre en esa frecuencia particular. Todas las señales por encima de la frecuencia de resonancia estarán conectadas a tierra y sobre el capacitor único que describió de la misma manera.

El filtro RC se utiliza en lugar del filtro LC por motivos económicos.