¿Los chips realmente necesitan múltiples valores de condensador de desacoplamiento en los mismos paquetes?

Aquí se hace una pregunta similar: ¿regla de "dos condensadores de derivación / desacoplamiento"? Pero esa pregunta era sobre los condensadores de derivación en paralelo sin mencionar el tamaño del paquete (pero las respuestas en su mayoría asumieron piezas en paralelo con diferentes tamaños de paquete), mientras que esta es específicamente sobre condensadores de derivación en paralelo en el mismo tamaño de paquete.

Hace poco asistí a un curso sobre diseño digital de alta velocidad, en el que el disertante hizo todo lo posible para explicar que el rendimiento de un capacitor para el desacoplamiento estaba limitado casi por completo por su inductancia, que a su vez se debía casi por completo a su tamaño y ubicación.

Su explicación parece chocar con los consejos dados en muchas hojas de datos, que sugieren múltiples valores de capacitores de desacoplamiento aunque tengan el mismo tamaño de paquete.

Creo que su recomendación sería: para cada tamaño de paquete, elija la capacitancia más alta que sea factible y colóquela lo más cerca posible, con los paquetes más pequeños más cerca.

Por ejemplo, en un esquema de Lattice Semiconductor, sugieren lo siguiente:

  • 470pF 0201
  • 10nF 0201
  • 1uf 0306

Múltiples condensadores de desacoplamiento

P1: ¿Ese capacitor de 470pF realmente ayuda?

P2: ¿No tendría sentido reemplazar los tres con un solo capacitor de 1uF en un paquete 0201?

P3: Cuando la gente dice que un capacitor de mayor valor es menos útil a frecuencias más altas, ¿cuánto de eso se debe a la capacitancia y cuánto se debe al mayor tamaño del paquete generalmente asociado con los capacitores más grandes?

No, la gente lo hace todo solo por diversión y para pagar más dinero en su lista de materiales.
@PlasmaHH Honestamente, hay tanta información errónea sobre el desacoplamiento dando vueltas que su declaración sarcástica es bastante precisa. Más precisamente, las tapas son baratas y su costo es irrelevante en todos los productos, excepto en los de mayor volumen, por lo que las personas simplemente adoptarán un enfoque de escopeta que es "seguro". Irónicamente, a veces se disparan en el pie cuando usan una serie de valores, ya que pueden causar fácilmente picos de antirresonancia en su impedancia que amplifican el ruido.
También estoy totalmente en desacuerdo con la decisión de marcar esto como duplicado. La pregunta vinculada no preguntaba sobre las tapas en el mismo paquete. Rocketmagnet tiene razón y si alguna vez ha realizado un análisis de PI/desacoplamiento de una placa, por lo general llegará a la misma conclusión.
@jalalipop - Gracias por el apoyo, ¿podría votar para reabrir esta pregunta?
Esta es una pregunta muy rica, si la inductancia del paquete IC y la inductancia del cable de enlace y la inductancia de metalización de la superficie de silicio, y la capacitancia del pozo al sustrato en el chip y los numerosos capacitores de óxido de puerta a canal/a granel/pozo y drenaje- se consideran la capacitancia del implante a VDD, y las resistencias con pérdida en los lazos a granel y las resistencias en los canales debajo de las compuertas y en las resistencias entre los lazos del pozo de drenaje y los pozos a granel ------. Entonces, ¿tiene una red PI, aquí con 470pF fuera del chip, 3nH de inductancia, 10,000pF en el chip y UN OHMIO? de pérdidas disipativas en serie con las tapas onchip.
Para una buena amortiguación (no óptima, pero esa es su elección de diseño), use Rdampen = sqrt (L / C) donde C es hmmm, ¿cuál C usar? el fuera del chip 470pF que será de baja pérdida, o el dentro del chip 10,000pF suma de muchas uniones y puertas. Con cada una de estas uniones, se producen pérdidas en los lazos masivos que recogen las cargas inyectadas, y cada una de las puertas en PMOS y NMOS también descargan cargas en una estructura inferior con pérdidas que puede o no tener un canal formado.
@Rocketmagnet, he editado para ser explícito acerca de por qué esta pregunta es diferente de la anterior. Si no está de acuerdo con mi edición, siéntase libre de retroceder.
Sin embargo, esta vieja pregunta se refería específicamente a las partes paralelas en el mismo paquete: ¿un capacitor cerámico 0402 de 0,01 µF junto a un capacitor cerámico 0402 de 0,1 µF tendrá algún beneficio de desacoplamiento de potencia?
Creo que es posible mejorar las respuestas que obtuvimos hace 6 años, incluida la mía.
También está el problema de los grandes capacitores MLCC en paquetes pequeños que usan diferentes dieléctricos que pierden capacitancia cuando están polarizados (y siempre estarán polarizados cuando se desacoplan). electronics.stackexchange.com/questions/103785/… Esto a veces es extremo (-80 % a voltaje nominal) y significa que puede estar mejor con unas pocas tapas de 1uF 0805 que una de 10uF en el mismo paquete.

Respuestas (5)

Esta es una pregunta que me he estado haciendo de vez en cuando, y aún no he encontrado una respuesta. Hice una simulación con LTSpice para obtener algún tipo de respuesta. Elegí un par de capacitores de Murata prácticamente al azar: 4.7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html y 100nF https://psearch.en.murata.com/ capacitor/producto/GRM152B31A104KE19%23.html

Configuré el ESL para ambos límites en 300p y ESR de 100 nF a 30 m y de 4,7 µF a 8 m. Con estos valores, su impedancia parece coincidir bastante bien con la de los gráficos de Murata. (Para ser precisos, el ESL no es exactamente el mismo, pero está lo suficientemente cerca, así que usaré el mismo valor)

Simulé con solo 4,7 µF, 4,7 µF + 100 nF y 2 x 4,7 µF. Agregué una inductancia de 1 nH entre los capacitores, para simular la traza que los conecta.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Los resultados son interesantes, pero no muy inesperados. ingrese la descripción de la imagen aquíLa adición de 100 nF aumenta el filtrado, a excepción de la frecuencia de antirresonancia. Agregar otros 4.7 µF tiene el mismo efecto, excepto que no hay antirresonancia. El 100 nF funciona mejor en su frecuencia autorresonante, pero su efecto es menor que el rendimiento de filtrado perdido de la antirresonancia. Basado en esto, simplemente agregaría más condensadores más grandes.

Pero, si, por ejemplo, tuvo un problema de ruido a 30 MHz, entonces tiene sentido agregar ese capacitor de 100 nF, porque filtra bien esa frecuencia.

P1: ¿Ese capacitor de 470pF realmente ayuda?

En su frecuencia resonante lo es. Si no hay ruido en esa frecuencia, entonces no tanto.

P2: ¿No tendría sentido reemplazar los tres con un solo capacitor de 1uF en un paquete 0201?

Probablemente sería mejor agregar dos condensadores 0201 de 1 µF. Luego, si tiene problemas con cierta frecuencia, podría cambiar uno de ellos por un capacitor que tenga SRF en esa frecuencia. También puede dejar el otro sin ensamblar, pero los condensadores son baratos, así que ¿por qué molestarse?

P3: Cuando la gente dice que un capacitor de mayor valor es menos útil a frecuencias más altas, ¿cuánto de eso se debe a la capacitancia y cuánto se debe al mayor tamaño del paquete generalmente asociado con los capacitores más grandes?

Más o menos se trata del tamaño del paquete. Por supuesto, el SRF más alto ayuda nuevamente, pero solo si tiene ruido en esa frecuencia. De lo contrario, es mejor duplicar la mayor capacitancia.

Gracias por esto, es muy interesante. Creo que lo que haré es, la próxima vez que fabrique una placa con algunos componentes de alta velocidad, probaré tanto el desacoplamiento recomendado por los fabricantes como mi propia versión de desacoplamiento, y evaluaré ambas placas. Luego publicaré los resultados aquí como respuesta.
Estoy deseando ver los resultados. Haz las pruebas para que tengas la misma cantidad de capacitores en ambas versiones. Creo que mi simulación es correcta en cuanto a que "más condensadores es mejor", pero la pregunta interesante es "son mejores los valores de más condensadores"

A continuación se muestran las características de frecuencia de los condensadores exactos que sugiere Lattice Semiconductor. Como puede ver, ese condensador de 1 µF 0306 es superior a los dos condensadores más pequeños en cualquier frecuencia. Los golpea incluso en su frecuencia resonante.

El único argumento viable para tener los capacitores 0201 además del 0306 es si el tamaño más pequeño permite colocarlos más cerca de la carga, reduciendo la inductancia de la PCB.

Características de frecuencia de los capacitores sugeridos

Fuente: https://www.murata.com/en-us/search/productsearch/compare?cate=luCeramicCapacitorsSMD&comp=GRM033R71C103KE14%23,GRM033R71C471KA01%23,LLL185C70G105ME01%23

La respuesta es simple:

  • No hay capacitores dieléctricos de 10nF NP0 en el tamaño 0201.

La capacidad máxima para estos es de aproximadamente 1nF. Entonces, o necesita un paquete más grande o debe apegarse al dieléctrico X7R, que no se comporta tan bien a> 10MHz.

No. La impedancia de los capacitores NP0 y X7R es esencialmente idéntica sin importar la frecuencia. Como puede ver aquí: murata.com/en-us/search/productsearch/…
Mi suposición es que Murata ya no fabrica gorras X7R, pero todavía etiquetan parte de sus gorras NP0 como X7R para no perder el mercado.
Absolutamente fabrican tanto NP0 como X7R. Esto es claramente evidente en las características de polarización de CC. Si no lo cree, también puede comparar las características de impedancia de un 10nF NP0 con un 10uF X7R, y encontrará que también son idénticos a altas frecuencias.

Lea la respuesta duplicada para toda la teoría, pero aquí hay una buena regla general:

Los capacitores de mayor valor son menos efectivos a frecuencias más altas y, por supuesto, los capacitores de menor valor no serán efectivos a una frecuencia más baja.

Por lo tanto, cada uno de los diferentes condensadores proporciona estabilización para una banda de frecuencia diferente. Según su aplicación y la cantidad de 'ruido' que genera a diferentes frecuencias, debe aplicar condensadores con valores específicos para estabilizar el bus de alimentación.

Una regla general es al menos 1-10uF más 100nF, pero el ejemplo anterior se ve bastante bien para un circuito con una alta velocidad de reloj. Para las aplicaciones de audio, desea algo similar, pero con un valor mucho mayor para soportar las demandas del bus de alimentación con frecuencias musicales.

P1: Sí, elimina la oscilación y el ruido de alta frecuencia. P2: No, es posible que tenga un problema con el ruido de alta frecuencia.

PD: Los capacitores pequeños deben colocarse lo más cerca posible de los pines del IC para minimizar la inductancia entre los pines del capacitor y los pines del IC. Los condensadores de mayor valor se pueden colocar más lejos si es necesario.

Vi la otra pregunta, pero no pensé que respondiera completamente a mi pregunta (a menos que esté confundido).
A lo que estoy tratando de llegar es: cuando la gente dice que un capacitor de mayor valor es menos útil a frecuencias más altas, cuánto de eso se debe a la capacitancia y cuánto se debe al mayor tamaño del paquete generalmente asociado con tapas más grandes ?
esto es lo que importa: los capacitores reales tienen inductancia y resistencia. El objetivo de un capacitor de derivación es responder rápidamente a los transitorios de corriente para mantener un voltaje estable. La inductancia y la resistencia en serie son contrarias a ese objetivo.
Nada de esto responde a su pregunta.
@ mike65535 - Gracias por eso. Sin embargo, como mencioné en mi pregunta, acabo de estar en un curso sobre diseño digital de alta velocidad. Sería bastante sorprendente si no supiera que los capacitores tienen inductancia. De hecho, creo que mencioné la inductancia en mi pregunta. ¿Puede leer detenidamente mi pregunta antes de asumir que soy un novato y solo ofrecer la respuesta predeterminada sobre el desacoplamiento de condensadores?
Esta respuesta parece repetir la regla general de los años setenta, que aún podría ser relevante pero OP ya lo sabe.
No responde la pregunta. Solo una regla empírica obsoleta de una época en la que 1-10uF era electrolítico, sin motivar por qué esto aún sería aplicable.

Poner dos tipos diferentes de capacitores en paralelo, como un electrolítico y uno cerámico, proporcionará una baja impedancia en un rango de frecuencia mucho más amplio.

Los electrolíticos tienen una inductancia significativa. Su impedancia a altas frecuencias a menudo no será suficiente para pasar por alto un chip. Un condensador de cerámica en el rango de 0,01 a 0,1 uF tendrá una baja impedancia en las decenas de megahercios, por lo general.

Uso amplificadores operacionales en circuitos lineales. Los amplificadores operacionales oscilarán y/o exhibirán una respuesta transitoria muy pobre si no se los deriva correctamente. Sueldo un condensador cerámico de 0,1 uF/50V directamente a los cables de alimentación del chip, en la parte inferior de la placa. El condensador electrolítico se elige de acuerdo con los requisitos de carga colocados en el chip; 1 a 100 uF es común. El electrolítico debe estar lo más cerca posible del chip, pero 20-30 mm suele ser aceptable si es necesario.

Esta pregunta es específica para los condensadores de derivación de cerámica y sus tamaños de paquete. Debe quedar claro que no tiene nada que ver con los diferentes tipos de capacitores.
¿Los chips realmente necesitan múltiples valores de condensador de desacoplamiento en los mismos paquetes?
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