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

Casi todos recomiendan 0.1uF para condensadores de derivación. ¿Por qué este valor? Supongo que no hay daño al usar valores más grandes, entonces, ¿es simplemente un "mínimo razonable"? Y si es así, ¿por qué la gente va por el mínimo en lugar de usar valores más altos? Me parece que puede obtener valores más altos sin costo adicional.

Los condensadores de mayor valor no serán tan efectivos para lidiar con la corriente de alta frecuencia extraída por el chip. Por encima de cierta frecuencia, un condensador comenzará a comportarse como un inductor. El valor donde sus características cambian es la auto resonancia 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 condensadores de derivación?

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

No todos recomiendan 0.1uF 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 Xilinx FPGAs aquí hay una recomendación para condensadores de derivación:

Recomiendan 33 condensadores de tres valores diferentes por dispositivo.

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, toma tiempo para que la corriente del suministro alcance la carga sobre la distancia de rastreo y la resistencia de rastreo. También es un factor la resistencia incorporada del suministro en sí o el tiempo para que un suministro de conmutación detecte la nueva demanda actual y se ajuste (ancho de banda de suministro). En resumen, una fuente de alimentación no suministra corriente al instante, 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 permanezco igual, por lo que V tiene que 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 salga la corriente del suministro. ¿Por qué es más rápido? Porque la distancia entre el condensador y la carga es más corta, y porque la resistencia incorporada de un condensador es mucho más pequeña que una fuente de alimentación. Si "I" está disponible de inmediato, entonces "V" no necesita compensar, todos están contentos.

Aunque mucho más rápido que las fuentes de alimentación, los condensadores también toman tiempo para "descargarse" y proporcionar 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 condensador de derivación que sea lo suficientemente rápido como para responder a la carga, pero que también tenga suficiente carga para satisfacer la demanda mientras la corriente de la fuente de alimentación viaja a 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 topes de derivación a 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 muchas más líneas de pedido en su lista de materiales y se volverá costoso muy rápido. 0.1uF para la mayoría de los circuitos lógicos o para circuitos de alta velocidad 0.01uF (100nF) 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 actual (cargas de alta frecuencia), existen otras formas de evitar 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 tarde tanto en obtener energía de la fuente para cargar.
2. Poner dos condensadores en paralelo. Dos resistencias en paralelo disminuyen la resistencia total y no es diferente con las resistencias internas de los condensadores. ¡Por lo tanto, los condensadores combinados tienen mayor capacidad y mayor tiempo de respuesta!
3. Puede usar tapas paralelas de diferente capacidad, gran amigo y pequeño amigo. Entonces uno podría ser 0.01uF y otro 0.1uF. El primero tiene una respuesta rápida y el segundo va un poco en 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 la fuente de suministro, por lo que puede usar condensadores de derivación más pequeños en la carga sabiendo que sus depósitos de carga distribuidos recortarán la holgura en el suministro.

Esta es una vista simplificada de todo. Hay más factores, especialmente en los circuitos de alta velocidad. Pero si puede imaginar los principios eléctricos básicos en juego en su circuito como un sistema dinámico de suministro y demanda, muchas de las "mejores prácticas" sobre las que leemos adquieren 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 para sacar artículos del almacén y en el camión. El siguiente es la entrega de aviones no tripulados. ¡Es una batalla logística de oferta y demanda y compensación por el tiempo de respuesta y la capacidad frente al tamaño de cada nodo de distribución y los costos!

Un video realmente bueno de EEVBlog sobre factores para condensadores paralelos: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

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

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

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

Puede ver fácilmente en el diagrama a continuación que los condensadores cerámicos modernos de alto valor son tan buenos como los condensadores 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 debe confiar en la frecuencia de resonancia para desacoplar los condensadores, por lo que esas caídas deben ignorarse)

_{(Fuente de la imagen: Diálogo analógico, septiembre de 2005: una guía práctica para el diseño de placa de circuito impreso de alta velocidad )}