¿De dónde vino el valor de 0.1uF para los condensadores de derivación?

Los capacitores de mayor valor no serán tan efectivos para lidiar con la corriente de alta frecuencia consumida por el chip. Por encima de cierta frecuencia, un capacitor comenzará a comportarse como un inductor. El valor donde cambia su característica es la resonancia propia en serie del dispositivo: -

Por lo tanto, encontrará que en los dispositivos de microondas, los condensadores de 100pF también están presentes como desacoplamiento junto con los condensadores a granel. Aquí hay un ejemplo de tres condensadores que desacoplan un FPGA: -

La curva negra es la impedancia compuesta de los tres condensadores utilizados. Tomado de aquí .

¿De dónde vino el valor de 0.1uF para los condensadores de derivación?

Es un buen compromiso entre la capacitancia masiva y la de alta frecuencia, PERO si está diseñando radios, su desacoplador predeterminado puede ser 10nF o 1nF (UHF). Si está diseñando cosas digitales de muy alta velocidad, también puede usar 2 o 3 valores diferentes en paralelo, como en la imagen FPGA de arriba.

No todo el mundo recomienda 0,1 uF como condensador de desacoplamiento, aunque es un buen punto de partida para 74HC y lógica de puerta única. La respuesta de Kevegaro aquí es buena.

Por ejemplo, para los FPGA de Xilinx, aquí hay una recomendación para los condensadores de derivación:

Recomiendan 33 condensadores de tres valores diferentes por dispositivo.

La recomendación de usar valores múltiples, como 100nF + 10µF, es de los años 90 y 80, cuando 100nF era el capacitor cerámico disponible más alto con una respuesta decente de alta frecuencia. El condensador de 10 µF sería un condensador electrolítico o de tantalio con un comportamiento deficiente en alta frecuencia.

Eso ha cambiado completamente hoy. Ahora puede comprar fácilmente cerámicas de 10 µF en paquetes 0603 o incluso 0402. Para los capacitores cerámicos, la respuesta de alta frecuencia no tiene nada que ver con el valor del capacitor y todo que ver con el tamaño del paquete del capacitor.

Con los capacitores modernos, generalmente no tiene sentido conectar un 100nF en paralelo con un 10µF.

Puede ver fácilmente en el siguiente diagrama que los capacitores cerámicos modernos de alto valor son tan buenos como los capacitores de bajo valor para altas frecuencias, siempre que el tamaño del paquete sea el mismo. (Las pequeñas caídas negativas son las frecuencias de resonancia. No desea confiar en la frecuencia de resonancia para desacoplar los condensadores, por lo que se deben ignorar esas caídas)

_{(Fuente de la imagen: Analog Dialogue, septiembre de 2005: una guía práctica para el diseño de placas de circuitos impresos de alta velocidad )}

La explicación de Andy es hermosa y profunda. Si le resulta difícil de entender, puede ayudarlo a visualizar cómo funciona el desacoplamiento en términos simples. En su mente, imagine una vista 3D de su placa, tiene una carga (IC, etc.) y una fuente de alimentación. La carga puede "solicitar" repentinamente más corriente de la fuente de alimentación; sin embargo, lleva tiempo que la corriente de la fuente llegue a la carga a través de la distancia de seguimiento y la resistencia de seguimiento. También la resistencia incorporada del propio suministro o el tiempo para que un suministro de conmutación detecte la nueva demanda actual y ajuste (ancho de banda del suministro) es un factor. En resumen, una fuente de alimentación no suministra corriente instantáneamente, lleva tiempo.

Como la carga está esperando que llegue la corriente, no tiene más remedio que bajar el voltaje para compensar la corriente "faltante". Tiene que obedecer la ley V = IR, la carga disminuyó su resistencia (R) para "indicar" que necesita más potencia, no había más corriente disponible de inmediato, por lo que I permanece igual, por lo que V debe disminuir para compensar.

Entonces, ¿cómo resolvemos eso? Ponemos pequeños condensadores cerca de la carga. Estos condensadores son pequeños "bancos de carga" de los que la carga puede retirarse rápidamente durante el exceso de demanda, más rápido que esperar a que la corriente salga del suministro. ¿Por qué es más rápido? Porque la distancia entre el capacitor y la carga es más corta, y porque la resistencia incorporada de un capacitor es mucho menor que la de una fuente de alimentación. Si "I" está disponible de inmediato, entonces "V" no necesita compensar: todos están contentos.

Aunque son mucho más rápidos que las fuentes de alimentación, los condensadores también tardan en "descargarse" y proporcionan energía a la carga en proporción a su resistencia interna, que aumenta con la capacidad (faradios). En resumen, los condensadores más grandes tardan más en suministrar la corriente necesaria. Por lo tanto, desea elegir un capacitor de derivación que sea lo suficientemente rápido para responder a la carga, pero que también tenga suficiente carga para satisfacer la demanda mientras la corriente de la fuente de alimentación viaja hacia la carga.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Como se mencionó anteriormente, para la lógica común fue una buena compensación entre el tiempo de respuesta y los requisitos de capacidad de los límites de derivación para las demandas de carga. Puede sacar la calculadora y averiguar exactamente cuál es el mejor valor, pero también hay que considerar los costos de la lista de materiales. Si ajusta cada condensador de derivación a su carga, terminará con muchos más elementos de línea en su lista de materiales y se volverá costoso muy rápido. 0,1 uF para la mayoría de los circuitos lógicos o para circuitos de alta velocidad, 0,01 uF suele ser una buena opción. Ahorre dinero en su BOM donde pueda dentro de los límites de la aplicación.

Para las cargas que cambian con frecuencia la demanda de corriente (cargas de alta frecuencia), existen otras formas de sortear el problema del tiempo de respuesta frente a la capacidad de los condensadores de derivación. Usted puede:

1. Utilice un mejor regulador de potencia con mayor ancho de banda para que no se tarde tanto en llevar la potencia de la fuente a la carga.
2. Ponga dos condensadores en paralelo. Dos resistencias en paralelo disminuyen la resistencia total y no es diferente con las resistencias internas de los capacitores. ¡ Por lo tanto, los condensadores combinados tienen mayor capacidad y mayor tiempo de respuesta!
3. Se pueden utilizar tapones paralelos de diferente capacidad, big buddy y little buddy. Entonces uno podría ser 0.01uF y otro 0.1uF. El primero tiene una respuesta rápida y el segundo se retrasa un poco en la respuesta pero proporciona corriente durante más tiempo.
4. También puede distribuir capacitancia en su circuito, pero no necesariamente en el punto de carga. Esta respuesta del depósito de carga es más rápida que el suministro de la fuente, por lo que puede usar condensadores de derivación más pequeños en la carga sabiendo que sus depósitos de carga distribuidos recuperarán la holgura en el suministro.

Esta es una vista simplificada de todo. Hay más factores especialmente en circuitos de alta velocidad. Pero si puede imaginar los principios eléctricos básicos en juego en su circuito como un sistema dinámico de oferta y demanda, muchas de las "mejores prácticas" sobre las que leemos se convierten en sentido común. Una analogía más simple podría ser la cadena de suministro de Amazon. Su objetivo: suministrar artículos lo más rápido posible en cualquier lugar de los EE. UU. Su solución, almacenes cerca de cada ciudad, menos tiempo de respuesta sacando artículos del almacén y en el camión. Lo siguiente es la entrega de drones. ¡Es una batalla logística de oferta y demanda y compensación entre el tiempo de respuesta y la capacidad versus el tamaño de cada nodo de distribución y los costos!

Un muy buen video de EEVBlog sobre factores para capacitores en paralelo: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw