¿Qué es un condensador de desacoplamiento y cómo sé si necesito uno?

Yo fui el que hizo esa pregunta. Aquí está mi comprensión rudimentaria:

Conecta condensadores a través$V_{CC}$/GND para intentar mantener el voltaje más constante. Bajo un circuito de CC, un capacitor actúa como un circuito abierto, por lo que no hay problema con un cortocircuito allí. A medida que su dispositivo está encendido ($V_{CC}$=5V), el capacitor se carga a su capacidad y espera hasta que haya un cambio en el voltaje entre$V_{CC}$y GND ($V_{CC}$=4.5V). En este punto, el capacitor se descargará para intentar que el voltaje regrese al nivel de carga dentro del capacitor (5V). Esto se llama "suavizado" (o al menos así lo llamo yo) porque el cambio de voltaje será menos pronunciado.

En última instancia, el voltaje nunca volverá a 5 V a través de un capacitor, sino que el capacitor se descargará hasta que la carga en su interior sea igual al voltaje de suministro (hasta un equilibrio). Un mecanismo similar es responsable de suavizar si$V_{CC}$aumenta demasiado por encima de su promedio ($V_{CC}$=5.5V quizás).

En cuanto a por qué los necesita, son muy importantes en los circuitos analógicos y digitales de alta velocidad. No puedo imaginar que necesite uno para un SN74195, ¡pero no puede hacer daño!

Las fuentes de alimentación son lentas... tardan aproximadamente 10 us en responder (es decir, ancho de banda de hasta 100 kHz). Entonces, cuando su microcontrolador grande y malo de varios MHz cambie un montón de salidas de alto a bajo, se extraerá de la fuente de alimentación, lo que hará que el voltaje comience a caer hasta que se dé cuenta (¡10 nosotros más tarde!) que necesita hacer algo para corregir la caída de tensión.

Para compensar las fuentes de alimentación lentas, utilizamos condensadores de desacoplamiento. Los condensadores de desacoplamiento agregan un "almacenamiento de carga" rápido cerca del IC. Entonces, cuando su micro cambia las salidas, en lugar de extraer carga de la fuente de alimentación, primero extraerá carga de los condensadores. Esto le dará tiempo a la fuente de alimentación para adaptarse a las demandas cambiantes.

La "velocidad" de los condensadores varía. Básicamente, los capacitores más pequeños son más rápidos; la inductancia tiende a ser el factor limitante, por lo que todos recomiendan colocar las tapas lo más cerca posible de VCC/GND con los cables más cortos y anchos que sean prácticos. Por lo tanto, elija la capacitancia más grande en el paquete más pequeño y le proporcionarán la mayor cantidad de carga lo más rápido posible.

Normalmente llamado "tapa de derivación", porque el ruido de alta frecuencia pasa por alto el IC y fluye directamente a tierra, o " tapa de desacoplamiento ", porque evita que el consumo de corriente de un IC se acople a la fuente de alimentación de otro IC.

"¿Cómo sé si un chip específico es uno?"

Solo asume que todos lo hacen. :) Si un chip consume corriente de manera intermitente, hará que el voltaje de suministro caiga de manera intermitente. Si otro chip está "aguas abajo", verá ese ruido en sus pines de alimentación. Si es lo suficientemente malo, puede causar errores o ruido o lo que sea. Entonces, generalmente ponemos límites de derivación en todo, "aguas arriba" del IC. (Sí, la orientación de las pistas y las ubicaciones de los componentes son importantes, ya que el cobre no es un conductor perfecto).

Se utiliza un condensador de suavizado (también conocido como condensador de desacoplamiento ) para reducir el cambio en el voltaje de la fuente de alimentación. Cuando extrae altas corrientes de su fuente de alimentación (como cuando la lógica digital cambia de estado), verá un cambio en el voltaje de suministro. La conmutación trata de generar grandes corrientes instantáneas y produce una caída de voltaje debido a la impedancia de la fuente de voltaje y la conexión entre la fuente de voltaje y el IC. Un capacitor de desacoplamiento ayudará a mantener (o suavizar) el voltaje de suministro en el dispositivo. Colocar este elemento de almacenamiento cerca del IC reduce el cambio de voltaje en el IC.

A menos que mida el voltaje de suministro en cada IC cuando el IC está consumiendo sus corrientes de conmutación máximas, es difícil decir qué tan efectivo será el capacitor. Para la mayoría de los dispositivos digitales, la recomendación es cerámica de 0,1 uF muy cerca del dispositivo. Dado que los capacitores son pequeños y de bajo costo, la mayoría de los diseñadores simplemente agregarán los capacitores. A veces, si tengo dos dispositivos lógicos que están muy cerca, es posible que pueda orientar un solo condensador entre dos circuitos integrados. Usualmente este no es el caso.

Los circuitos integrados de fuente de alimentación tienen mayores requisitos de condensadores de suavizado ya que las corrientes de conmutación son más grandes. Para esos dispositivos, debe observar más de cerca los requisitos de ondulación de la aplicación para determinar el condensador de filtrado adecuado.

Solo para agregar más sobre las emisiones EM.

La mayoría de las empresas recomendarán límites de 0,1 uF en cada entrada de energía. Tenga en cuenta que esto es solo el mínimo necesario para evitar caídas de voltaje que podrían afectar la operación. Si está construyendo una placa de circuito impreso que debe aprobar la Parte 15 de la FCC para las emisiones, debe ir más allá.

En última instancia, debe calcular la capacitancia total necesaria en el plano de la fuente de alimentación según el diseño de PCB y el uso de energía. Una regla general que uso como punto de partida es un límite de tantalio de 10uF por IC principal (microcontrolador, ADC, DAC, etc.) y luego un límite de 0.1uF y 10nF en cada pin de alimentación en cada IC. Los límites de 10 nF deben ser pequeños, preferiblemente de tamaño 0402 o, como máximo, 0603, para evitar que la inductancia del conductor del paquete anule el efecto del capacitor.

Recomiendo encarecidamente este libro si planea ingresar al diseño digital de alta velocidad, alta velocidad significa cualquier cosa por encima de 1MHz en realidad.

Las preguntas relacionadas con el desacoplamiento parecen estar surgiendo mucho últimamente. Di una respuesta detallada aquí: tapas de desacoplamiento, diseño de PCB

Eso habla de problemas de desacoplamiento y diseño. El suavizado de la fuente de alimentación es un asunto totalmente diferente. Eso generalmente requiere tapas más grandes que deben poder almacenar una cantidad razonable de energía, ya que la frecuencia de ondulación de la fuente de alimentación es mucho más baja que las frecuencias que las tapas de desacoplamiento están diseñadas para manejar.

Me gustaría enfatizar uno de los puntos de jluciani. Es muy importante colocar el capacitor lo más cerca posible de la entrada de energía del chip. Esto puede ayudar a eliminar cualquier ruido que se introduzca en cualquier otro lugar, ya sea en su circuito, desde la fuente de alimentación, o incluso algún ruido que se irradie desde una fuente fuera de su tablero.

jluciani tiene razón en que 0.1uF es muy común para colocarse junto a los circuitos integrados. Simplemente piense en la capacitancia como la cantidad de carga que puede contener el capacitor, por lo que cuanto mayor sea la capacitancia, más carga tendrá. Si coloca capacitores en paralelo, agrega más capacidad, lo que da como resultado una capacitancia efectiva más alta.

En cuanto a su pregunta sobre si ese chip lo necesita o no, diría que no estaría de más. La hoja de datos generalmente especificará si el chip necesita condensadores de desacoplamiento (también conocido como suavizado) y, de ser así, cuál es el valor recomendado.

Solo para agregar algunos puntos a las otras respuestas:

Para medir los efectos de los picos de corriente en el voltaje de suministro, necesitaría un osciloscopio rápido. Depende de la velocidad de los circuitos, pero supongo que necesitaría un ancho de banda de 200 MHz a 1 GHz.

Además, si el circuito de suministro de energía que transporta los picos de corriente es grande, provocará emisiones de radio, lo cual está mal visto por varias razones técnicas y legales. Un condensador de derivación actúa como un atajo para estos picos, por lo que hay mucha menos emisión.

Las tapas de derivación son lo suficientemente baratas como para que en muchos casos no haya razón para no ponerlas en todas partes. Sin embargo, si el espacio o el costo son problemas extremos, puede ser razonable dejar algunos. La clave es reconocer lo que puede pasar si se dejan. Mi sugerencia sería asumir el peor de los casos si se dejan: (1) la radiación de RF en la frecuencia de conmutación de entrada puede aumentar, y (2) cada vez que una entrada cambia, suponga que las salidas del dispositivo y el estado interno pueden fallar arbitrariamente. Si cualquiera de estos comportamientos fuera un problema, se requieren límites de derivación. Si ninguno de los dos sería un problema (por ejemplo, porque ninguna de las entradas cambia con la frecuencia suficiente para que la radiación sea un problema, el dispositivo no tiene estado interno,

En un caso general, algunos o muchos circuitos integrados, transistores o válvulas (tubos) estarán conectados a la misma fuente de alimentación. Cuando un dispositivo funciona en estas situaciones, extrae cantidades variables de corriente de la fuente de alimentación de acuerdo con la señal que pasa a través de él. Como las fuentes de alimentación no son perfectas, la corriente variable hace que aparezca un voltaje variable en los rieles de suministro. Todos los demás dispositivos conectados a la misma fuente de alimentación sentirán este voltaje, es decir. se les acoplará una señal de ruido. Esto puede causar inestabilidad en los circuitos analógicos o mala conmutación en los digitales. Al colocar condensadores de desacoplamiento en los puntos descritos anteriormente, el voltaje de la fuente de alimentación se vuelve más estable y los dispositivos se desacoplan entre sí.

A menudo, la hoja de datos del chip indica específicamente cuántos condensadores y de qué tamaño se deben usar. Si no es así, la mejor práctica es conectar una tapa de 1 uF a los pines de alimentación de cada chip, además de una tapa más grande en algún lugar de la placa. (Antes de 2001, las mejores prácticas usaban límites de 0,1 uF).

pd: ¿ha considerado usar un 74HC595 o 74HC166 en lugar del 74195? Sospecho que funcionaría igual de bien y liberaría algunos pines en tu Arduino.

La gente suele dar una explicación cuando se les pregunta cuál es la función de los condensadores de desacoplamiento, pero la verdad es que cumplen varias tareas.

Aquí está la lista de cosas que conozco:

Reducen el rebote en el suelo

El rebote de tierra es un fenómeno en el que una diferencia de voltaje cambiante en el plano de tierra afecta negativamente (principalmente) señales analógicas y (a veces) digitales. Para señales analógicas, como audio por ejemplo, esto podría manifestarse en forma de ruido agudo. Para las señales digitales, podría significar transiciones de señal perdidas, retrasadas o falsas.

La diferencia de voltaje cambiante es causada por la creación y colapso de campos magnéticos causados ​​por flujos de corriente cambiantes.

Cuanto más largo sea el camino que debe seguir el flujo de corriente, mayor será la inductancia asociada a él y peor será el rebote del suelo. Múltiples rutas de flujo de corriente también exacerban el problema, así como la velocidad a la que cambia la corriente.

El flujo de corriente obviamente ocurre entre una fuente de alimentación y un IC conectado, pero también de manera algo menos obvia entre los IC "que se comunican". El flujo de corriente asociado con dos circuitos integrados se ve así; fuente de alimentación -> IC 1 -> IC 2 -> Tierra -> fuente de alimentación.

Un condensador de desacoplamiento reduce efectivamente la longitud de la ruta de corriente al funcionar como una fuente de energía, lo que reduce la inductancia y, por lo tanto, el rebote a tierra.

El ejemplo anterior se convierte en; Tapa -> IC 1 -> IC 2 -> Tierra -> Tapa

Mantienen estables los niveles de voltaje

Hay dos razones por las que los niveles de voltaje fluctúan:

• La inductancia de traza/cable disminuye la tasa máxima de cambio de corriente a través de esa traza/cable; un aumento repentino en la 'demanda' de corriente dará como resultado una caída en el voltaje; una disminución repentina en la 'demanda' de corriente dará como resultado un pico en el voltaje.
• Las fuentes de alimentación (especialmente las del tipo de conmutación) necesitan tiempo para responder y se retrasarán ligeramente con respecto a la demanda actual.

Un capacitor de desacoplamiento suavizará la demanda de corriente y reducirá las caídas o picos de voltaje.

PUEDEN reducir EMI (transmisión)

Cuando hablamos de interferencia electromagnética, nos referimos a la transmisión de interferencia electromagnética no intencionada o a la recepción de señales electromagnéticas intencionadas o no intencionadas que interfieren con el funcionamiento de su dispositivo. Por lo general, se refiere a la transmisión en sí.

La ubicación de los condensadores (desacoplamiento) entre los planos de potencia y tierra cambia el coeficiente de transmisión en un rango de frecuencias. Aparentemente , usar solo un valor para sus capacitores para toda la PCB, así como capacitores con pérdida/alta resistencia es el camino a seguir si necesita reducir EMI, sin embargo, esto va en contra de la práctica común (que aboga por un orden creciente de capacitancia cuanto más cerca esté a la fuente de alimentación). La mayoría de las personas realmente no se preocupan por EMI si fabrican circuitos para su pasatiempo (aunque los radioaficionados generalmente lo hacen), pero se vuelve inevitable cuando se diseña un circuito para la producción en masa.

Un capacitor (de desacoplamiento) PUEDE reducir la radiación electromagnética no deseada que produce su circuito.

Para responder a sus preguntas restantes..

¿Cómo sé si necesito uno y, de ser así, qué tamaño y dónde debe ir?

Por lo general, coloca un capacitor de desacoplamiento siempre que sea posible, eligiendo el tamaño físico más pequeño con el valor más grande lo más cerca posible del pin de fuente de alimentación del IC.

¿Necesitaría uno un registro de desplazamiento de acceso paralelo de 4 bits SN74195N utilizado con un Arduino? (Para usar mi proyecto actual como ejemplo) ¿Por qué sí o por qué no?

Probablemente funcionaría bien, pero ¿por qué molestarse con 'probablemente' si puede aumentar las probabilidades colocando un componente que cuesta unos pocos centavos, incluso un solo centavo en algunos casos?

Eliminemos algo de la magia sobre las tapas de derivación, mejorando el modelo de circuito; Las puertas de la familia 7410 (triple NAND) tienen este aspecto:

con corriente de disparo (ignorando las corrientes a través de 4Kohm y 1.6Kohm) calculada como

Esta compuerta, disponible en paquete 3 en uno, proporciona un alto impulso (amplio abanico) y alta velocidad. Dentro de un 74195, no necesitamos toda esa unidad. Necesitamos velocidad. Asumiremos un disparo de 2 mA por puerta (~~ 15 puertas por FF)

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Necesitamos almacenar suficiente carga para 1uS de actividad de marcado. ¿POR QUÉ? ¿Por qué usar 1uS? Porque los condensadores grandes y los cables largos sonarán y alterarán el VDD en el IC, a menos que se humedezcan. ¿Qué frecuencia de llamada? 1uH y 1uF producen 0,159 KHz. ¿Cómo humedecer?

Use Q=1 [definido como Q = ZL/R = 2(pi Fring L/R) ] y Fring = 1/2*pi sqrt(L C), encontramos Rdampen = sqrt(L/C). Para 1uH y 1uF, necesita UN OHMIO.

Considere este circuito para un buen control del timbre VDD:

^{simular este circuito}

¿Qué nos dice Signal Chain Explorer sobre esta amortiguación de 1_ohm?

¿Sorpresa? El ingeniero lógico también necesita DISEÑAR el filtrado VDD y la amortiguación VDD.

Prácticamente todos los circuitos integrados deberían tener un condensador de desacoplamiento. Si no se especifica nada en la hoja de datos, como mínimo, coloque una tapa de cerámica de 0,1 uF cerca del pin de alimentación del IC, clasificado para al menos el doble del voltaje que está utilizando.

Muchas cosas requerirán más capacitancia en la entrada. A menudo puede encontrar esas recomendaciones en hojas de datos, notas de aplicaciones o esquemas de kits de evaluación.

Para responder a su pregunta en pocas palabras: la CC no pasa a través del condensador, la CA sí. La mayor parte del ruido es ruido acoplado a CA, o/y tiene características de CA, es decir, conmutación +- algún valor de CC. Para adaptarse a estos cambios, utiliza un condensador de DESACOPLAMIENTO. Simplemente corta las señales de CA. Hay un mar abundante de excelentes notas de aplicaciones sobre por qué y cómo funcionan: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Además, la charla sobre condensadores de depósito/suavizado: mencionarlo en este hilo solo confunde a los recién llegados en términos de terminología.
El suavizado se realiza para crear un voltaje muy estable. Por ejemplo, las salidas de algunos sensores/circuitos dependen proporcionalmente de su tensión de alimentación. Las ondas en el suministro afectarán directamente su producción.

Son necesarios para reducir la impedancia del sistema de suministro de energía. A altas frecuencias, las fuentes de alimentación presentan una impedancia en serie no despreciable debido principalmente a la inductancia de las redes eléctricas. Eche un vistazo a la sección "Colapso ferroviario en integridad de energía" del siguiente artículo que puede ayudarlo a comprender la idea: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/

El condensador es un elemento de almacenamiento y ahorrará energía en forma de carga. Volviendo a la tapa de desacoplamiento, también se denomina condensador de derivación, ya que evitará la ondulación del suministro y esta tapa cargada intentará mantener un voltaje de CC fijo en el pin VDD.