ชิปต้องการตัวเก็บประจุแยกหลายตัวจริง ๆ ในแพ็คเกจเดียวกันจริง ๆ หรือไม่?

คำถามที่คล้ายกันถูกถามที่นี่: กฎ "สองบายพาส / ตัวเก็บประจุแยก" แต่คำถามนั้นเกี่ยวกับตัวเก็บประจุบายพาสแบบขนานโดยไม่พูดถึงขนาดของบรรจุภัณฑ์ (แต่คำตอบส่วนใหญ่ถือว่าเป็นชิ้นส่วนที่ขนานกันกับขนาดของบรรจุภัณฑ์ที่แตกต่างกัน) ในขณะที่อันนี้มีความเฉพาะเกี่ยวกับตัวเก็บประจุบายพาสแบบขนาน

เมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้เข้าร่วมหลักสูตรการออกแบบดิจิทัลความเร็วสูงที่อาจารย์บรรยายไปนานพอสมควรเพื่ออธิบายว่าประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุสำหรับการแยกสัญญาณถูก จำกัด ด้วยการเหนี่ยวนำเกือบทั้งหมดซึ่งเกือบทั้งหมดเนื่องจากขนาดและตำแหน่งของมัน

คำอธิบายของเขาดูเหมือนจะขัดแย้งกับคำแนะนำที่ให้ไว้ในเอกสารข้อมูลจำนวนมากซึ่งแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุแยกหลายค่าแม้ว่ามันจะมีขนาดแพ็คเกจเท่ากันก็ตาม

ฉันเชื่อว่าคำแนะนำของเขาคือ: สำหรับแต่ละขนาดแพ็คเกจเลือกความจุสูงสุดที่เป็นไปได้และวางให้ใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ตัวอย่างเช่นในแผนผังจาก Lattice Semiconductor พวกเขาแนะนำต่อไปนี้:

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

Q1:ตัวเก็บประจุ 470pF นั้นช่วยได้จริงหรือ?

Q2:ไม่เหมาะสมที่จะแทนที่ทั้งสามด้วยตัวเก็บประจุ 1uF เดียวในแพ็คเกจ 0201 หรือไม่?

คำถามที่ 3:เมื่อคนพูดว่าตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงกว่านั้นมีประโยชน์น้อยกว่าที่ความถี่ที่สูงกว่านั้นมีสาเหตุมาจากความจุและจำนวนเท่าใดเนื่องจากขนาดแพคเกจที่เพิ่มขึ้นมักเกี่ยวข้องกับแคปขนาดใหญ่

นี่เป็นคำถามที่ฉันสงสัยตัวเองเป็นครั้งคราวและฉันยังไม่พบคำตอบ ฉันจำลองด้วย LTSpice เพื่อรับคำตอบบางอย่าง ผมเลือกคู่ของตัวเก็บประจุจาก Murata สวยมากในการสุ่ม: 4.7 μF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.htmlและ 100nF https://psearch.en.murata.com/ ตัวเก็บประจุ / สินค้า / GRM152B31A104KE19% 23.html

ฉันตั้งค่า ESL สำหรับทั้งตัวพิมพ์ใหญ่เป็น 300p และ ESR สำหรับ 100 nF ถึง 30m และสำหรับ 4.7 µF ถึง 8m ด้วยค่าเหล่านี้อิมพีแดนซ์ของพวกเขาดูเหมือนจะเข้ากันได้ดีกับกราฟของ Murata (เพื่อความแม่นยำ ESL นั้นไม่เหมือนกัน แต่ใกล้พอดังนั้นฉันจะใช้ค่าเดียวกัน)

ฉันจำลองด้วย 4.7 µF, 4.7 µF + 100 nF และ 2 x 4.7µF ฉันเพิ่มการเหนี่ยวนำ 1 nH ระหว่างตัวเก็บประจุเพื่อจำลองการเชื่อมต่อ

ผลลัพธ์เป็นสิ่งที่น่าสนใจ แต่ไม่ได้รับการคาดการณ์มากนักการ เพิ่ม 100 nF จะเพิ่มการกรองยกเว้นสำหรับความถี่ของการเพิ่มแรงดัน การเพิ่มอีก 4.7 µF มีผลเหมือนกันยกเว้นว่าไม่มีเสียงสะท้อน 100 nF ทำงานได้ดีขึ้นที่ความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง แต่เอฟเฟกต์นั้นเล็กกว่าประสิทธิภาพการกรองที่หายไปของแอนโตเรเนียน จากนี้ฉันจะเพิ่มตัวเก็บประจุที่ใหญ่กว่า

แต่ถ้าคุณมีปัญหาเรื่องเสียงที่ 30 MHz มันก็สมเหตุสมผลแล้วที่จะเพิ่มตัวเก็บประจุ 100 nF เพราะมันกรองความถี่นั้นได้ดี

Q1: ตัวเก็บประจุ 470pF นั้นช่วยได้จริงหรือ?

ที่ความถี่เรโซแนนท์มันเป็น หากไม่มีสัญญาณรบกวนที่ความถี่นั้นก็ไม่มาก

Q2: ไม่เหมาะสมที่จะแทนที่ทั้งสามด้วยตัวเก็บประจุ 1uF เดียวในแพ็คเกจ 0201 หรือไม่?

น่าจะดีกว่าถ้าเพิ่มตัวเก็บประจุ 1 µF 0201 สองตัว จากนั้นหากคุณพบปัญหาในความถี่ที่กำหนดคุณสามารถเปลี่ยนหนึ่งในนั้นเป็นตัวเก็บประจุที่มี SRF ที่ความถี่นั้น คุณอาจปล่อยให้อีกอันหนึ่งไม่ได้ประกอบ แต่ตัวเก็บประจุมีราคาถูกดังนั้นทำไมต้องกังวล

คำถามที่ 3: เมื่อคนพูดว่าตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงกว่านั้นมีประโยชน์น้อยกว่าที่ความถี่ที่สูงกว่านั้นมีสาเหตุมาจากความจุและจำนวนเท่าใดเนื่องจากขนาดแพคเกจที่เพิ่มขึ้นมักเกี่ยวข้องกับแคปขนาดใหญ่

ค่อนข้างจะเกี่ยวกับขนาดบรรจุภัณฑ์ แน่นอน SRF ที่สูงขึ้นจะช่วยได้อีก แต่ถ้าคุณมีสัญญาณรบกวนที่ความถี่นั้น มิฉะนั้นจะเป็นการดีกว่าถ้าเพิ่มความจุที่ใหญ่ที่สุดเป็นสองเท่า

คำตอบนั้นง่าย:

• ตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริก NP0 10nF ไม่มีในขนาด 0201

ความจุสูงสุดสำหรับสิ่งเหล่านี้คือประมาณ 1nF ดังนั้นคุณจำเป็นต้องมีแพ็คเกจที่ใหญ่กว่าหรือคุณต้องติดตั้งอิเล็กทริก X7R ซึ่งจะทำงานไม่ดีที่> 10MHz

อ่านคำตอบที่ซ้ำกันสำหรับทฤษฎีทั้งหมด แต่นี่เป็นกฎง่ายๆ:

ตัวเก็บประจุที่มีค่ามากกว่านั้นจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่ความถี่สูงกว่าและแน่นอนว่าตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยกว่าจะไม่ทำงานที่ความถี่ต่ำกว่า

ตัวเก็บประจุที่แตกต่างกันดังนั้นแต่ละให้เสถียรภาพสำหรับคลื่นความถี่ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันของคุณและปริมาณของ 'เสียงรบกวน' ที่สร้างที่ความถี่ที่แตกต่างกันคุณจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่าเฉพาะเพื่อสร้างเสถียรภาพบัสเพาเวอร์

กฎทั่วไปอย่างน้อย 1-10uF บวก 100nF แต่ตัวอย่างข้างต้นดูค่อนข้างดีสำหรับวงจรที่มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูง สำหรับแอปพลิเคชั่นเสียงที่คุณต้องการสิ่งที่คล้ายกัน แต่มีค่าสูงกว่ามากสำหรับการรองรับความต้องการในเพาเวอร์บัสพร้อมความถี่เพลง

Q1: ใช่มันฆ่าการสั่นและเสียงความถี่สูง Q2: ไม่คุณอาจมีปัญหากับสัญญาณรบกวนความถี่สูง

PS: ตัวเก็บประจุขนาดเล็กควรอยู่ใกล้กับพิน IC เพื่อลดการเหนี่ยวนำระหว่างพินตัวเก็บประจุและพิน IC ตัวเก็บประจุที่ใหญ่กว่าสามารถวางไกลออกไปได้ถ้าจำเป็น

การใส่ตัวเก็บประจุสองชนิดที่แตกต่างกันในแบบขนานเช่นอิเล็กโทรไลต์และเซรามิกจะให้ความต้านทานต่ำในช่วงความถี่ที่กว้างกว่ามาก

ไฟฟ้ามีการเหนี่ยวนำที่สำคัญ ความต้านทานของพวกเขาที่ความถี่สูงมักจะไม่เพียงพอที่จะข้ามชิป ตัวเก็บประจุเซรามิกในช่วง 0.01 ถึง 0.1 ยูเอฟหรือประมาณนั้นจะมีความต้านทานต่ำเป็นหลักสิบเมกะเฮิร์ตซ์โดยทั่วไป

ฉันใช้แอมป์สหกรณ์ในวงจรเชิงเส้น แอมป์สหกรณ์จะแกว่งและ / หรือแสดงการตอบสนองชั่วคราวที่แย่มากหากไม่ผ่านอย่างเหมาะสม ฉันบัดกรีตัวเก็บประจุเซรามิก 0.1 ยูเอฟ / 50 โวลต์โดยตรงไปยังแหล่งจ่ายไฟของชิปที่ด้านล่างของบอร์ด ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าถูกเลือกตามความต้องการของโหลดที่อยู่บนชิป 1 ถึง 100 uF เป็นเรื่องปกติ อิเล็กโทรไลต์ควรอยู่ใกล้ชิปมากที่สุด แต่โดยทั่วไปจะยอมรับได้ 20-30 มม. หากจำเป็น