Il rumore di sistema è un problema comune a tutti i dispositivi digitali odierni. La tendenza costante a realizzare interfacce più veloci e a ridurre il consumo energetico ha reso i dispositivi sempre più suscettibili ai disturbi provenienti dalle linee di alimentazione e di segnale.
Fortunatamente, questo rumore può essere ridotto utilizzando il disaccoppiamento per isolare i circuiti localizzati dagli altri circuiti di un sistema.
Cos'è un condensatore di disaccoppiamento?
I condensatori di disaccoppiamento aiutano a isolare o disaccoppiare i circuiti locali da rumori e anomalie di alimentazione provenienti da altri dispositivi su reti di alimentazione condivise, di terra e altre reti. In genere vengono applicati alle fonti di alimentazione per fornire una fonte localizzata di corrente istantanea e garantire l'isolamento del circuito locale dal rumore presente in altre aree del progetto.
L'accesso localizzato è necessario perché tutti i sistemi di distribuzione dell'alimentazione hanno un'impedenza e un'induttanza effettive che impediscono una fornitura di corrente veramente istantanea. In presenza di carichi commutati di grandi dimensioni, l'assorbimento di corrente può causare cali di tensione e risonanze, violando così le condizioni di tensione del circuito richieste o generando false segnalazioni.
Condensatore di bypass vs. condensatore di disaccoppiamento
Quando si parla di condensatori di disaccoppiamento, è importante comprendere le differenze tra condensatori di disaccoppiamento e condensatori di bypass e di accoppiamento.
I condensatori di bypass vengono utilizzati per fornire uno shunt a bassa impedenza per il rumore ad alta frequenza su percorsi ad alta impedenza e, in molti casi, vengono anche definiti condensatori di disaccoppiamento, in quanto contribuiscono a garantire che il rumore ad alta frequenza venga ridotto al minimo prima che abbia la possibilità di diffondersi ad altre parti del circuito dove potrebbe causare malfunzionamenti del circuito o problemi di contenimento delle EMI generate dalla progettazione.
I condensatori di accoppiamento, d'altro canto, forniscono isolamento CC creando al contempo un percorso intenzionale per audio, video, RF e dati digitali ad alta velocità. I condensatori di accoppiamento si trovano spesso sulle interfacce ad alta velocità per garantire che qualsiasi differenza di potenziale CC sui dispositivi collegati non si manifesti come correnti di terra tra i dispositivi.
Come funzionano i condensatori di disaccoppiamento?
I condensatori di disaccoppiamento vengono utilizzati per contrastare disturbi provenienti da numerose fonti diverse. I bus logici e di dati con commutazione sincrona possono generare grandi flussi di corrente istantanea che assorbono una carica notevole dal sistema di erogazione dell'alimentazione locale (PDS). Quando si verificano questi carichi istantanei, l'induttanza nel PDS impedisce all'alimentatore previsto nel progetto di fornire istantaneamente corrente extra al carico, e ciò può causare un calo o un'oscillazione della tensione di alimentazione locale.
I condensatori di disaccoppiamento contribuiscono a fornire una fonte di carica istantanea locale che impedisce cali di tensione nella sorgente e un percorso di bypass che smorza le oscillazioni. Anche il rumore sul PDS viene smorzato a livello locale, per proteggere il circuito locale da ondulazioni sul piano di alimentazione che altrimenti potrebbero causare disturbi. Questo effetto si estende anche al rumore proveniente da altre parti del progetto quando sono sottoposte ad assorbimenti di corrente istantanei. I relativi condensatori di disaccoppiamento non si limitano a stabilizzare la tensione di alimentazione a livello locale, ma quando un eventuale disturbo residuo raggiunge altre parti del progetto, viene ulteriormente ridotto dal disaccoppiamento locale in quella porzione del circuito. Infine, i condensatori di bypass utilizzati nei ruoli di disaccoppiamento aiutano a derivare i percorsi di ritorno ad alta frequenza e impediscono che scorrano tra le aree del circuito e causino potenzialmente malfunzionamenti del circuito o problemi di EMI a livello di sistema. Scopri di più sulla capacità di bypass e perché è importante.
Guida alla selezione del condensatore di disaccoppiamento
Sebbene sia vero che qualsiasi condensatore di disaccoppiamento sia meglio di niente, ci sono diverse linee guida da tenere in considerazione quando si implementa uno schema di disaccoppiamento. Dal momento che i condensatori dovranno fornire corrente molto rapidamente, l'aspetto più importante è scegliere condensatori con una bassa resistenza di serie equivalente (ESR), che somma l'impedenza caratteristica con qualsiasi impedenza legata all'induttanza. I condensatori ceramici sono solitamente utilizzati per applicazioni di disaccoppiamento grazie alla loro ampia tolleranza alla temperatura, alla capacità di sopportare ampi intervalli di tensione, alla bassa ESR, alla stabilità e all'affidabilità. Tuttavia, la costruzione del condensatore è importante tanto quanto le dimensioni del contenitore, poiché i vantaggi intrinseci della chimica del condensatore possono essere rapidamente compensati dall'induttanza aggiuntiva di un contenitore di dimensioni maggiori.
Spesso la scelta migliore è il più piccolo package disponibile che soddisfa i parametri di progettazione, anche se potrebbero essere disponibili package specializzati di condensatori di bypass e di disaccoppiamento che riducono ulteriormente l'induttanza. I pacchetti più piccoli hanno anche il vantaggio di ridurre le dimensioni del circuito del condensatore, riducendo ulteriormente l'induttanza di ogni condensatore di disaccoppiamento.
Potenziare i condensatori tra l'alimentazione e la messa a terra
Altri modi per ottimizzare la funzionalità dei condensatori di disaccoppiamento sono garantire che i piani di alimentazione e di massa siano continui e adiacenti, assicurandosi che i condensatori siano montati il più vicino possibile ai pin di alimentazione e di massa dei circuiti integrati, rendendo i percorsi del circuito verso i piani di alimentazione e di massa il più corti possibile e assicurandosi che i fori di via siano instradati tra o accanto ai pad del condensatore. I piani di alimentazione e di massa adiacenti devono essere posizionati simmetricamente nel progetto e il numero di strati tra i piani e i condensatori di disaccoppiamento deve essere ridotto al minimo. Se possibile, i condensatori devono essere distribuiti anche nella zona in fase di disaccoppiamento . Quando questo non è possibile e si utilizza un banco di condensatori, è consigliabile alternarne l'orientamento per distribuire i punti di connessione ed evitare che la messa a terra o l'alimentazione vengano divise da più vie adiacenti che attraversano il piano. Il numero di condensatori da utilizzare dipende principalmente dal numero di pin di alimentazione e di terra presenti in un'area di circuito localizzata o in un circuito integrato, nonché dal numero di segnali I/O presenti. I progetti con sezioni analogiche e digitali possono richiedere che il disaccoppiamento e il bypass siano gestiti per segmenti di un circuito o di un circuito integrato.
I dispositivi digitali di oggi possono presentare notevoli difficoltà nel mantenere un'alimentazione stabile e silenziosa in presenza di carichi commutati e altre fonti di rumore del sistema. Utilizzando correttamente i condensatori di potenza in blocco e i condensatori di fuga in uno schema di disaccoppiamento integrato, i progettisti possono fare in modo che i problemi associati al rumore di corrente all'interno del sistema e ad altre fonti di rumore vengano mitigati correttamente e che i prodotti funzionino come previsto.
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