¿Por qué demasiados condensadores en paralelo para la red de suministro Vdd? ¿No podemos agregar todo para reemplazarlo con un condensador grande?

Aquí hay un esquema del regulador de potencia de la placa Basys-2 IC y los filtros. Es solo un ejemplo, pero esto es bastante similar a muchos diseños que he visto.

¿Por qué hay tantos condensadores agregados en paralelo en lugar de un solo condensador grande? ¿Puede alguien darme ventajas y desventajas de agregar muchos condensadores en paralelo en lugar de un condensador grande para cada red de suministro?

Las tapas están ubicadas cerca de cada CI digital, o un pequeño conjunto de dichos CI, para actuar como reservorios locales para suavizar las demandas actuales de fluctuación rápida de dichos CI. Esto evita que esas corrientes que fluctúan rápidamente causen voltajes fluctuantes en los cables de alimentación más largos (trazas de PCB) y posiblemente interrumpan otros chips conectados a esos cables de alimentación.

En algunos casos, también verá una gran tapa paralela con una pequeña tapa justo al lado. La tapa grande proporciona un depósito grande, pero tiene una resistencia interna significativa, por lo que no responde tan rápido como una tapa pequeña. Entonces, las dos tapas pueden responder rápidamente y proporcionar un depósito grande.

Los capacitores reales tienen tanto resistencia interna como inductancia en serie con su capacitancia "ideal". Los efectos son mayores con condensadores de mayor valor y varían con el material y la construcción del condensador. Para la discusión actual, estas dos características no ideales actúan para disminuir la velocidad con la que el capacitor puede responder.

Puede encontrar una buena discusión aquí: http://www.analog.com/library/analogdialogue/anniversary/21.html

Un artículo adicional sobre diseño de placa para digital de alta velocidad: http://www.ti.com/lit/an/scaa082/scaa082.pdf

Estas tapas se utilizan como condensadores de "desacoplamiento". Aunque parezcan estar todos juntos, estarán ubicados (a menudo en pares) en la placa de circuito junto a los pines de alimentación de los circuitos integrados digitales.

A diferencia de los circuitos analógicos, un circuito digital usa energía en ráfagas cortas y rápidas. Todos los rastros o cables tienen cierta inductancia, lo que evita que la corriente cambie tan rápido como el IC lo necesita. Esto causa dos problemas: el voltaje fluctúa en el pin de entrada, y la corriente que cambia rápidamente hace que las trazas irradien ruido eléctrico.

Un condensador de desacoplamiento proporciona dos funciones principales:

1. La primera función es prevenir estos dos problemas. Actúa como un pequeño búfer de potencia justo en el CI, y puede proporcionar las corrientes necesarias que fluctúan rápidamente. Dado que están ubicados justo al lado de los circuitos integrados, no hay rastros largos para actuar como generadores de ruido.

2. La segunda función es actuar como filtro, amortiguando el ruido visto desde el exterior del chip. Aquí es donde entran en juego los múltiples valores de los condensadores. Los condensadores también tienen una pequeña inductancia parásita. Cada condensador que agregue crea un filtro LC. Cada valor de condensador diferente, combinado con la inductancia parásita, filtra un rango diferente de frecuencias. Es común ver un 100pF junto a una tapa de 0.1uF en cada pin de alimentación. Esta combinación tiene un ancho de banda de filtrado favorable.

Entonces, aunque podría usar un condensador grande para igualar la capacitancia nominal del bus, perdería los beneficios de desacoplamiento.

Este FPGA cubre una amplia gama de frecuencias en el rango de 500KHz a 500MHz. Por lo tanto, para mantener plana la impedancia de la fuente de alimentación de ms a nseg, se utiliza una combinación paralela de condensadores de diferentes valores en una mezcla adecuada. El valor no es muy crítico y generalmente está en el rango de 0.001μF a 4.7μF, pero la combinación de valores ayuda a mantener baja la impedancia y evitar picos de resonancia (un valor por década, por ejemplo) Los condensadores de baja frecuencia ( con una ESR más alta) y tienen un buen rendimiento en un rango más amplio de frecuencia, por lo que no es necesaria ninguna combinación. Los valores típicos son de 470 μF a 1000 μF.

Por lo tanto, es normal ver hasta 50 condensadores en la huella de un FPGA o alrededor, como 1x680μF, 7x2.2μF, 13x0.47μF y 26x0.047μF

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