ค่า 0.1uF สำหรับบายพาสคาปาซิเตอร์มาจากไหน?

เกือบทุกคนแนะนำ 0.1uF สำหรับตัวเก็บประจุบายพาส ทำไมค่านี้ ฉันคิดว่าไม่มีอันตรายใด ๆ กับการใช้ค่าที่มากขึ้นดังนั้นมันจึงเป็น "ขั้นต่ำที่สมเหตุสมผล"? และถ้าเป็นเช่นนั้นเพราะเหตุใดผู้คนจึงเลือกใช้ค่าน้อยที่สุดแทนที่จะใช้ค่าที่สูงกว่า - สำหรับฉันคุณสามารถรับค่าที่สูงกว่าได้โดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

ตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงกว่าจะไม่มีประสิทธิภาพในการจัดการกับกระแสความถี่สูงที่ถูกดึงโดยชิป เหนือความถี่ที่แน่นอนตัวเก็บประจุจะเริ่มทำงานเหมือนตัวเหนี่ยวนำ ค่าที่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของมันคือการสั่นพ้องด้วยตัวเองของอุปกรณ์: -

ดังนั้นคุณจะพบว่าในอุปกรณ์ไมโครเวฟตัวเก็บประจุ 100pF นั้นมีการแยกตัวออกมาพร้อมกับตัวเก็บประจุจำนวนมาก นี่คือตัวอย่างของตัวเก็บประจุสามตัวที่แยกออกจาก FPGA: -

เส้นโค้งสีดำเป็นความต้านทานรวมของตัวเก็บประจุทั้งสามที่ใช้ ที่นำมาจากที่นี่

ค่า 0.1uF สำหรับบายพาสคาปาซิเตอร์มาจากไหน?

มันเป็นการประนีประนอมที่ดีระหว่างปริมาณความจุจำนวนมากและความถี่สูง แต่ถ้าคุณกำลังออกแบบวิทยุตัวถอดรหัสเริ่มต้นของคุณอาจเป็น 10nF หรือ 1nF (UHF) หากคุณกำลังออกแบบสิ่งดิจิทัลความเร็วสูงจริง ๆ คุณอาจใช้ค่าที่แตกต่างกัน 2 หรือ 3 แบบขนานเหมือนในภาพ FPGA ด้านบน

ไม่ใช่ทุกคนที่แนะนำ 0.1uF เป็นตัวเก็บประจุตัวแยกสัญญาณแม้ว่ามันจะเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับ 74HC และตรรกะเกทเดียว คำตอบของ Kevegaro ที่นี่เป็นคำตอบที่ดี

ตัวอย่างเช่นสำหรับ Xilinx FPGA นี่คือคำแนะนำสำหรับตัวเก็บประจุบายพาส:

พวกเขาแนะนำตัวเก็บประจุ 33 ค่าที่แตกต่างกันสามค่าต่ออุปกรณ์

คำอธิบายของ Andy นั้นสวยงามและลึกซึ้ง หากคุณพบว่ามันยากที่จะเข้าใจมันอาจช่วยให้คุณเห็นภาพว่าการแยกชิ้นทำงานในแง่ง่าย ๆ ในใจของคุณลองนึกภาพมุมมอง 3 มิติของบอร์ดของคุณมันมีโหลด (ไอซีและอื่น ๆ ) และแหล่งพลังงาน โหลดอาจ "ขอ" กระแสมากขึ้นจากแหล่งจ่ายไฟโดยทันทีอย่างไรก็ตามต้องใช้เวลาสำหรับกระแสจากแหล่งจ่ายเพื่อเข้าถึงโหลดในระยะการติดตามและความต้านทานการติดตาม นอกจากนี้ความต้านทานในตัวของแหล่งจ่ายไฟเองหรือเวลาสำหรับแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งเพื่อตรวจสอบความต้องการกระแสใหม่และปรับ (แบนด์วิดท์อุปทาน) เป็นปัจจัย กล่าวโดยสรุปแหล่งจ่ายไฟไม่จ่ายกระแสไฟทันทีมันต้องใช้เวลา

เนื่องจากโหลดกำลังรอให้กระแสไฟฟ้ามาถึงจึงไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากดึงแรงดันไฟฟ้าลงเพื่อชดเชยกระแสที่ "หายไป" ต้องทำตามกฎหมาย V = IR, โหลดลดลงมันต้านทาน (R) เพื่อ "บ่งชี้" มันต้องการพลังงานมากขึ้น, ไม่มีกระแสมากขึ้นทันทีดังนั้นฉันจึงยังคงเหมือนเดิมดังนั้น V จึงต้องลดลงเพื่อชดเชย

แล้วเราจะแก้ปัญหาอย่างไร เราวางตัวเก็บประจุขนาดเล็กไว้ใกล้กับโหลด ตัวเก็บประจุเหล่านี้เป็น "ธนาคารประจุ" เพียงเล็กน้อยที่โหลดสามารถถอนออกได้อย่างรวดเร็วในระหว่างที่มีความต้องการสูงเกินกว่าจะรอให้กระแสไฟฟ้าออกมาจากแหล่งจ่าย ทำไมมันเร็วกว่า เนื่องจากระยะห่างระหว่างตัวเก็บประจุและโหลดสั้นกว่าและเนื่องจากความต้านทานในตัวของตัวเก็บประจุนั้นมีขนาดเล็กกว่าแหล่งจ่ายไฟมาก หาก "ฉัน" พร้อมใช้งานทันที "V" ไม่จำเป็นต้องชดเชย - ทุกคนมีความสุข

แม้ว่าจะเร็วกว่าแหล่งจ่ายไฟตัวเก็บประจุก็ต้องใช้เวลาในการ "ปล่อย" และจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดตามสัดส่วนของความต้านทานภายในซึ่งเพิ่มขึ้นตามความจุ (ฟารด์) ดังนั้นในระยะสั้นตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ใช้เวลานานกว่าในการจ่ายกระแสไฟที่ต้องการ ดังนั้นคุณต้องการเลือกตัวเก็บประจุบายพาสที่เร็วพอที่จะตอบสนองต่อการโหลด แต่ยังมีค่าใช้จ่ายเพียงพอที่จะเติมเต็มความต้องการในขณะที่กระแสจากแหล่งจ่ายไฟเดินทางไปยังโหลด

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

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สำหรับตรรกะทั่วไปมันเป็นการแลกเปลี่ยนที่ดีระหว่างเวลาตอบสนองและความต้องการด้านความจุของตัวพิมพ์ใหญ่เลี่ยงผ่านกับความต้องการโหลด คุณสามารถออกจากเครื่องคิดเลขและค้นหาสิ่งที่คุ้มค่าที่สุด แต่ก็มีค่าใช้จ่ายที่ต้องพิจารณาด้วยเช่นกัน หากคุณปรับตัวเก็บประจุบายพาสแต่ละตัวเป็นโหลดคุณจะพบกับรายการโฆษณาอื่น ๆ อีกมากมายใน BOM ของคุณและมันจะได้รับค่าใช้จ่ายที่รวดเร็วมาก! 0.1uF สำหรับวงจรตรรกะส่วนใหญ่หรือวงจรความเร็วสูง 0.01uF (100nF) มักเป็นตัวเลือกที่ดี ประหยัดเงินใน BOM ของคุณที่คุณสามารถทำได้ภายในขอบเขตของแอปพลิเคชัน

สำหรับการโหลดที่เปลี่ยนความต้องการในปัจจุบันบ่อยครั้ง (การโหลดความถี่สูง) มีวิธีอื่นในการแก้ไขเวลาตอบสนองเมื่อเทียบกับปัญหาความจุของตัวเก็บประจุบายพาส คุณสามารถ:

1. ใช้ตัวควบคุมพลังงานที่ดีกว่าพร้อมแบนด์วิดท์ที่สูงกว่าดังนั้นจึงใช้เวลาไม่นานในการรับพลังงานจากแหล่งที่มาเพื่อโหลด
2. ใส่สองตัวเก็บประจุในแบบคู่ขนาน ตัวต้านทานสองตัวในการลดความต้านทานรวมแบบขนานและไม่แตกต่างกับความต้านทานภายในของตัวเก็บประจุ ดังนั้นตัวเก็บประจุแบบรวมจึงเพิ่มความจุและเวลาตอบสนองเพิ่มขึ้น
3. คุณสามารถใช้ความจุที่แตกต่างกันแบบคู่ขนานคู่ใหญ่และคู่ตัวน้อย ดังนั้นหนึ่งอาจเป็น 0.01uF และอีก 0.1uF ครั้งแรกที่มีการตอบสนองอย่างรวดเร็วและครั้งที่สองปกคลุมเล็กน้อยในการตอบสนอง แต่ให้ปัจจุบันเป็นระยะเวลานาน
4. คุณยังสามารถกระจายกำลังการผลิตในวงจรของคุณ แต่ไม่จำเป็นต้องอยู่ที่จุดโหลด การตอบสนองของอ่างเก็บน้ำประจุไฟฟ้านี้เร็วกว่าแหล่งจ่ายไฟฟ้าดังนั้นคุณจึงสามารถใช้ตัวเก็บประจุบายพาสขนาดเล็กลงได้เมื่อโหลดโดยที่รู้ว่าอ่างเก็บน้ำประจุไฟฟ้าแบบกระจายของคุณจะรับภาระหย่อนลงในแหล่งจ่าย

นี่คือมุมมองที่เรียบง่ายของทุกสิ่ง มีปัจจัยมากขึ้นโดยเฉพาะในวงจรความเร็วสูง แต่ถ้าคุณสามารถจินตนาการถึงหลักการไฟฟ้าขั้นพื้นฐานที่เล่นในวงจรของคุณในฐานะระบบแบบไดนามิกของอุปสงค์และอุปทานจำนวนมาก "แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด" ที่เราอ่านเกี่ยวกับความรู้สึกทั่วไป การเปรียบเทียบที่ง่ายกว่าอาจเป็นห่วงโซ่อุปทานของ Amazon เป้าหมายของพวกเขาคือ: จัดหาสิ่งของให้เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทุกที่ในสหรัฐอเมริกา ทางออกของพวกเขาคลังสินค้าใกล้กับทุกเมืองเวลาตอบสนองที่น้อยกว่าในการนำสิ่งของออกจากคลังสินค้าและในรถบรรทุก ถัดไปคือการส่งมอบเสียงพึมพำ เป็นการต่อสู้ด้านอุปสงค์และอุปทานและการแลกเปลี่ยนระหว่างเวลาตอบสนองและกำลังการผลิตเทียบกับขนาดของแต่ละโหนดและต้นทุนการกระจาย!

วิดีโอที่ดีมากจาก EEVBlog เกี่ยวกับปัจจัยสำหรับตัวเก็บประจุแบบขนาน: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

คำแนะนำในการใช้ค่าหลายค่าเช่น 100nF + 10 isF นั้นมาจาก 90s และ 80s เมื่อ 100nF เป็นตัวเก็บประจุเซรามิกที่พร้อมใช้งานสูงสุดพร้อมการตอบสนองความถี่ที่ดี ตัวเก็บประจุ 10µF จะเป็นตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าหรือแทนทาลัมที่มีพฤติกรรมความถี่สูง

ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์ในวันนี้ ตอนนี้คุณสามารถซื้อเซรามิก 10µF ได้อย่างง่ายดายใน 0603 หรือแม้แต่ 0402 แพ็คเกจ สำหรับตัวเก็บประจุแบบเซรามิกการตอบสนองความถี่สูงนั้นไม่เกี่ยวกับค่าตัวเก็บประจุและทุกอย่างที่ทำกับขนาดตัวเก็บประจุของตัวเก็บประจุ

ด้วยตัวเก็บประจุที่ทันสมัยมักจะไม่มีประโยชน์ในการเชื่อมต่อ 100nF ควบคู่กับ 10µF

คุณสามารถดูได้จากแผนภาพด้านล่างว่าตัวเก็บประจุเซรามิกมูลค่าสูงที่ทันสมัยนั้นดีพอ ๆ กับตัวเก็บประจุที่มีค่าต่ำสำหรับความถี่สูงตราบใดที่ขนาดของบรรจุภัณฑ์เหมือนกัน (dips เชิงลบขนาดเล็กคือความถี่เรโซแนนซ์คุณไม่ต้องการพึ่งพาความถี่เรโซแนนซ์สำหรับตัวเก็บประจุตัวแยกสัญญาณดังนั้นตัว dips เหล่านั้นควรถูกละเว้น)

_{(แหล่งที่มาของรูปภาพ: Dialogue แบบอะนาล็อกกันยายน 2005 - คำแนะนำการปฏิบัติเกี่ยวกับเค้าโครงวงจรพิมพ์บอร์ดความเร็วสูง )}