¿Por qué los condensadores de desacoplamiento/derivación no necesitan resistencias para realizar su función, como los filtros normales?

No pensaría en un condensador de desacoplamiento como un filtro en la forma en que lo describe. Como un filtro RC como este, donde la fuente del ruido es la fuente de alimentación y sus condensadores de "desacoplamiento" ayudan a filtrarlo antes de que llegue a su chip.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

No evita que el ruido llegue a su chip como lo haría un pequeño filtro PI, está ayudando a que su chip no haga ruido :) Usted tiene un chip y tendrá demandas dinámicas de corriente que cambiarán con el tiempo. En otras palabras, a medida que su chip hace lo suyo, está extrayendo energía a diferentes frecuencias para cambiar sus transistores.

Ahora, en un mundo ideal, solo tendría una fuente de alimentación ideal sin impedancia entre ella y su chip. Su chip podría consumir tanta corriente como quisiera en la frecuencia que quisiera y parte de mi trabajo sería mucho más fácil;)

En verdad, hay componentes parásitos, particularmente la inductancia parásita que limitará la cantidad de corriente que puede extraer a una frecuencia particular con una caída de voltaje dada. La impedancia de esos inductores parásitos aumenta con la frecuencia, por lo que en algún momento no podrá extraer una cantidad significativa de corriente. Su chip probablemente quiera estar en algún rango, digamos 1.8V +/- 0.5%, ha sido diseñado y agotado para funcionar en ese rango. Si no proporciona la ruta de baja impedancia adecuada para todas sus necesidades, puede terminar cayendo el voltaje fuera de ese rango, por ejemplo, lo que podría conducir a una operación no deseada.

Aquí hay una buena imagen de una red de distribución de energía de Altera. Incluye el regulador de voltaje y su fuente de impedancia, tapas de desacoplamiento y algunos parásitos del paquete.

Si solo salió y diseñó una placa sin tapas de desacoplamiento, entonces cada vez que necesita corriente, tendría que pasar por esa conexión de impedancia muy alta desde su chip hasta el otro lado de la placa y de regreso al regulador y, con suerte, a su volumen. condensadores Eso funcionará bien para baja frecuencia, pero a medida que su frecuencia aumenta, esa inductancia parásita significa que la impedancia entre usted y su fuente de alimentación también aumentará. Usted sabe por la ley de ohmios que si mantiene constante el flujo de corriente, pero aumenta la resistencia (impedancia en nuestro caso), entonces la caída de voltaje a través de esa impedancia también debe aumentar. Para combatir esto y reducir la impedancia de la pdn, usamos capacitores de desacoplamiento. En una PDN llamamos a esto ondulación de voltaje,

Como ejemplo, veamos una frecuencia, digamos 100 MHz. Entonces supongamos que no usó ningún desacoplamiento y decidió dibujar 1 amperio a 100 MHz. Pero la impedancia desde la fuente de alimentación a través de la inductancia de los planos, y tal vez las tapas a granel, hasta el chip es de 1 ohmio a 100 MHz. Eso significa que obtendrá una caída de voltaje de 1V en esa impedancia. Si tuviera una fuente de alimentación que comenzara en 1,8 V y bajara a 0,8 V cuando su chip lo necesitara, estaría en problemas.

Ahora piense en el mismo escenario después de que hayamos agregado un montón de tapas de desacoplamiento, esto reduce la impedancia de la red de suministro de energía a, digamos, 0,05 ohmios. Ahora, para ese mismo sorteo de 1A, solo ve una caída de voltaje de 50 mV, que es un número mucho más tolerable.

Puede ver en la imagen a continuación los dos escenarios diferentes de una simple simulación de especias de la anterior. El verde es la impedancia de la placa sin condensadores, y el azul es después de que se hayan añadido varios condensadores de desacoplamiento de diferentes valores.

En realidad, se vuelve felizmente más complicado que eso a partir de aquí, no está simplemente consumiendo corriente a 100 MHz, sino un rango de frecuencias, y a menudo no sabe cuáles son del proveedor del chip. En su lugar, diseña para un rango de valores esperados. Altera tiene un buen artículo que lo explica con más detalle y hay muchos libros al respecto.

Con suerte, eso ayuda un poco, creo que puede ver por lo anterior que agregar más impedancia a sus capacitores los haría menos efectivos (bueno, hay algunas discusiones sobre la amortiguación ...). De hecho, si observa detenidamente la imagen de Altera, verá los inductores y las resistencias parásitos que forman parte de cualquier capacitor del mundo real y su montaje. Las personas que diseñan tableros de alta velocidad donde el desacoplamiento comienza a ser realmente importante dedican mucho tiempo a minimizarlos en el diseño y seleccionan componentes que tienen los valores parásitos más bajos.

Básicamente tienes razón. Se necesita un condensador de desacoplamiento porque

• la traza desde la fuente de energía hasta el chip consumidor se comporta como un inductor
• la fuente de energía en sí no es infinitamente rápida, se comporta más o menos como una fuente de energía ideal con un inductor en serie pequeña

los condensadores de desacoplamiento y estas inductancias forman un filtro de paso bajo/bloqueo alto. O dicho de otro modo, estabilizan el voltaje que recibe el chip consumidor.

No solo las trazas de cobre, todas las resistencias parásitas: impedancia de entrada del disipador de corriente, impedancia de salida de la fuente, etc. (depende de las frecuencias que esté estudiando)

En realidad, en un sistema perfecto, la resistencia en serie en sí es cero. Entonces, los voltajes de CC no se transfieren, mientras que los voltajes de CA se transmiten perfectamente (como un cortocircuito). No es como un filtro estándar en el que calcula una frecuencia, se trata más de desacoplar su sistema de la parte de CC de la fuente. Y en el filtro de paso alto normal, tiene una resistencia conectada a tierra, no resistencias en serie.

Esto no se usa para filtrar una determinada frecuencia, se usa para transmitir solo la señal (parte ac). Es por eso que se llama condensador de desacoplamiento.