¿Qué es un condensador de desacoplamiento y cómo sé si lo necesito?

¿Qué es un condensador de desacoplamiento (o condensador de suavizado como se menciona en el siguiente enlace)?

¿Cómo sé si necesito uno y, de ser así, de qué tamaño y dónde debe ir?

Esta pregunta menciona muchos chips que necesitan uno entre VCC y GND; ¿Cómo sé si un chip específico es uno?

¿Sería necesario un registro de desplazamiento de acceso paralelo de 4 bits SN74195N utilizado con un Arduino? (Para usar mi proyecto actual como ejemplo) ¿Por qué o por qué no?

Siento que estoy empezando a comprender los conceptos básicos de las resistencias y algunos lugares donde se usan, qué valores deben usarse en dichos lugares, etc., y también me gustaría entender los condensadores en el nivel básico.

Yo fui quien hizo esa pregunta. Aquí está mi comprensión rudimentaria:

condensadores a través de / GND para intentar mantener el voltaje más constante. Bajo un circuito de CC, un condensador actúa como un circuito abierto, por lo que no hay ningún problema con el cortocircuito allí. A medida que su dispositivo se enciende ( = 5V), el capacitor se carga a su capacidad y espera hasta que haya un cambio en el voltaje entre y GND ( = 4.5V). En este punto, el condensador se descargará para tratar de devolver el voltaje al nivel de carga dentro del condensador (5V). Esto se llama "suavizado" (o al menos eso es lo que yo llamo) porque el cambio en el voltaje será menos pronunciado.$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$

En última instancia, el voltaje nunca volverá a 5 V a través de un condensador, sino que el condensador se descargará hasta que la carga en su interior sea igual al voltaje de suministro (a un equilibrio). Un mecanismo similar es responsable de suavizar si aumenta demasiado más allá de su promedio ( = 5.5V quizás).$V_{CC}$$V_{CC}$

En cuanto a por qué los necesita, son muy importantes en los circuitos digitales y analógicos de alta velocidad. No puedo imaginar que necesite uno para un SN74195, ¡pero no puede doler!

Las fuentes de alimentación son lentas ... tardan aproximadamente 10 us en responder (es decir, ancho de banda de hasta 100 kHz). Entonces, cuando su microcontrolador grande, malo y multi-MHz cambia un montón de salidas de mayor a menor, se extraerá de la fuente de alimentación, causando que el voltaje comience a caer hasta que se dé cuenta (¡10 más tarde!) De que necesita hacer algo para corregir el voltaje caído.

Para compensar las fuentes de alimentación lentas, utilizamos condensadores de desacoplamiento. Los condensadores de desacoplamiento agregan un "almacenamiento de carga" rápido cerca del CI. Entonces, cuando su micro cambia las salidas, en lugar de extraer la carga de la fuente de alimentación, primero se extraerá de los condensadores. Esto comprará la fuente de alimentación algún tiempo para adaptarse a las demandas cambiantes.

La "velocidad" de los condensadores varía. Básicamente, los condensadores más pequeños son más rápidos; La inductancia tiende a ser el factor limitante, por lo que todos recomiendan colocar las tapas lo más cerca posible de VCC / GND con los cables más cortos y anchos que sean prácticos. Por lo tanto, elija la capacitancia más grande en el paquete más pequeño, y proporcionarán la mayor carga lo más rápido posible.

Normalmente se llama un "límite de derivación", porque el ruido de alta frecuencia evita el CI y fluye directamente a tierra, o un " límite de desacoplamiento ", porque evita que el consumo de corriente de un IC se acople a la fuente de alimentación de otro IC.

"¿Cómo sé si un chip específico es uno?"

Solo asume que todos lo hacen. :) Si un chip está consumiendo corriente de forma intermitente, hará que la tensión de alimentación disminuya de forma intermitente. Si otro chip está "aguas abajo", verá ese ruido en sus pines de alimentación. Si es lo suficientemente malo, puede causar errores o ruido o lo que sea. Por lo tanto, generalmente ponemos límites de derivación en todo, "aguas arriba" desde el IC. (Sí, la orientación de las trazas y la ubicación de los componentes es importante, ya que el cobre no es un conductor perfecto).

Se usa un condensador de suavizado (también conocido como condensador de desacoplamiento ) para reducir el cambio en el voltaje de la fuente de alimentación. Cuando extrae altas corrientes de su fuente de alimentación (como cuando la lógica digital cambia de estado) verá un cambio en la tensión de alimentación. La conmutación intenta dibujar grandes corrientes instantáneas y produce una caída de voltaje debido a la impedancia de la fuente de voltaje y la conexión entre la fuente de voltaje y el CI. Un condensador de desacoplamiento ayudará a mantener (o suavizar) el voltaje de suministro en el dispositivo. Colocar este elemento de almacenamiento cerca del IC reduce el cambio de voltaje en el IC.

A menos que mida el voltaje de suministro en cada IC cuando el IC está dibujando sus corrientes de conmutación máximas, es difícil decir qué tan efectivo será el capacitor. Para la mayoría de los dispositivos digitales, la recomendación es cerámica de 0.1uF muy cerca del dispositivo. Como los condensadores son pequeños y de bajo costo, la mayoría de los diseñadores simplemente agregarán los condensadores. A veces, si tengo dos dispositivos lógicos muy cerca, puede orientar un solo condensador entre dos circuitos integrados. Usualmente este no es el caso.

Los circuitos integrados de la fuente de alimentación tienen mayores requisitos de condensador de suavizado ya que las corrientes de conmutación son mayores. Para esos dispositivos, debe observar más de cerca los requisitos de ondulación de la aplicación para determinar el condensador de filtrado adecuado.

Solo para agregar más sobre las emisiones EM.

La mayoría de las compañías recomendarán límites de 0.1uF en cada entrada de energía. Tenga en cuenta que esto es solo el mínimo requerido para evitar caídas de voltaje que podrían afectar la operación. Si está construyendo una placa PCB que necesita pasar la Parte 15 de la FCC para las emisiones, debe ir más allá.

En última instancia, debe calcular la capacidad completa necesaria en el plano de la fuente de alimentación según el diseño de la PCB y el uso de energía. Una regla general que uso como punto de partida es una tapa de tantalio de 10uF por IC principal (microcontrolador, ADC, DAC, etc.) y luego una tapa de 0.1uF y 10nF en cada pin de alimentación en cada IC. Las tapas de 10nF deben ser pequeñas, preferiblemente de tamaño 0402 o como máximo de 0603, para evitar que la inductancia del cable del paquete anule el efecto del condensador.

Recomiendo encarecidamente este libro si planeas entrar en el diseño digital de alta velocidad, alta velocidad significa realmente más de 1MHz.

Las preguntas relacionadas con el desacoplamiento parecen surgir mucho últimamente. Di una respuesta detallada aquí: desacoplamiento de tapas, diseño de PCB

Eso habla sobre problemas de desacoplamiento y diseño. El suavizado de la fuente de alimentación es una cuestión totalmente diferente. Eso generalmente requiere límites más grandes que deben ser capaces de almacenar una cantidad razonable de energía, ya que la frecuencia de ondulación de la fuente de alimentación es mucho más baja que las frecuencias que los límites de desconexión están destinados a manejar.

Me gustaría enfatizar uno de los puntos de jluciani. Es muy importante colocar el condensador lo más cerca posible de la entrada de potencia de los chips. Esto puede ayudar a eliminar cualquier ruido que se introduzca en cualquier otro lugar, ya sea en su circuito, desde la fuente de alimentación, o incluso algo de ruido que se irradia desde una fuente fuera de su placa.

jluciani tiene razón en que 0.1uF es muy común para colocarse al lado de los circuitos integrados. Simplemente piense en la capacitancia como cuánta carga puede soportar el capacitor, de modo que cuanto mayor sea la capacitancia, más carga tiene. Si coloca condensadores en paralelo, agrega más capacidad, lo que resulta en una capacitancia efectiva más alta.

En cuanto a su pregunta sobre si ese chip lo necesita o no, diría que no dolería. La hoja de datos generalmente especificará si el chip necesita condensadores de desacoplamiento (también conocido como suavizado) y, de ser así, cuál es el valor recomendado.

Solo para agregar algunos puntos a las otras respuestas:

Para medir los efectos de los picos de corriente en el voltaje de suministro, necesitaría un osciloscopio rápido. Depende de la velocidad de los circuitos, pero supongo que necesitarías un ancho de banda de 200MHz a 1GHz.

Además, si el circuito de suministro de energía que lleva los picos de corriente es grande, causará emisiones de radio, lo que está mal visto por varias razones técnicas y legales. Un condensador de derivación actúa como un atajo para estos picos, por lo que hay mucha menos emisión.

Las tapas de derivación son lo suficientemente baratas como para que en muchos casos no haya razón para no colocarlas en todas partes. Sin embargo, si el espacio o el costo son problemas extremos, puede ser razonable dejar de lado algunos. La clave es reconocer lo que puede suceder si se dejan. Mi sugerencia sería asumir el peor de los casos si se dejan fuera: (1) la radiación de RF en la frecuencia de conmutación de entrada puede aumentarse, y (2) cada vez que una entrada cambia, suponga que las salidas del dispositivo y el estado interno pueden ser arbitrariamente fallido. Si alguno de estos comportamientos fuera un problema, se requieren bypass. Si ninguno de los dos sería un problema (por ejemplo, porque ninguna de las entradas cambia con la frecuencia suficiente para que la radiación sea un problema, el dispositivo no tiene un estado interno,

En un caso general, algunos o muchos circuitos integrados, transistores o válvulas (tubos) se conectarán a la misma fuente de alimentación. A medida que funciona un dispositivo en estas situaciones, extrae cantidades variables de corriente de la fuente de alimentación de acuerdo con la señal que la atraviesa. Como las fuentes de alimentación no son perfectas, la corriente variable hace que aparezca un voltaje variable en los rieles de suministro. Todos los demás dispositivos conectados a la misma fuente de alimentación sentirán este voltaje, es decir. una señal de ruido se unirá a ellos. Esto puede causar inestabilidad en los circuitos analógicos o una conmutación incorrecta en los digitales. Al colocar los condensadores de desacoplamiento en los puntos descritos anteriormente, el voltaje de la fuente de alimentación se vuelve más estable y los dispositivos se desacoplan entre sí.

A menudo, la hoja de datos del chip indica específicamente cuántos condensadores y qué tamaño utilizar. Si no es así, la mejor práctica es colocar una tapa de 1 uF en los pines de alimentación de cada chip, más una tapa más grande en algún lugar de la placa. (Antes de 2001, las mejores prácticas usaban tapas de 0.1 uF).

ps: ¿ha considerado usar un 74HC595 o 74HC166 en lugar del 74195? Sospecho que funcionaría igual de bien y liberaría algunos pines en su Arduino.

Por lo general, las personas dan una explicación cuando se les pregunta cuál es la función de los condensadores de desacoplamiento, pero la verdad es que cumplen varias tareas.

Aquí está la lista de cosas que conozco:

Reducen el rebote del suelo

El rebote a tierra es un fenómeno en el que una diferencia de voltaje cambiante en el plano de tierra afecta negativamente (principalmente) las señales analógicas y (a veces) digitales. Para señales analógicas, como el audio, por ejemplo, esto podría manifestarse en forma de ruido agudo. Para las señales digitales, podría significar transiciones de señales faltantes / demoradas / falsas.

La diferencia de voltaje cambiante es causada por la creación y el colapso de los campos magnéticos causados ​​por el cambio de los flujos de corriente.

Cuanto más largo sea el camino que debe seguir el flujo de corriente, mayor será la inductancia asociada a él y peor será el rebote del suelo. Múltiples rutas de flujo de corriente también exacerban el problema, así como la velocidad a la que cambia la corriente.

Obviamente, el flujo de corriente se produce entre una fuente de alimentación y un IC conectado, pero algo menos evidente también entre los circuitos integrados "comunicantes". El flujo de corriente asociado con dos circuitos integrados se ve así; fuente de alimentación -> IC 1 -> IC 2 -> Tierra -> fuente de alimentación.

Un condensador de desacoplamiento disminuye efectivamente la longitud de una ruta de corriente al funcionar como una fuente de energía, lo que disminuye la inductancia y, por lo tanto, el rebote a tierra.

El ejemplo anterior se convierte en; Tapa -> IC 1 -> IC 2 -> Tierra -> Tapa

Mantienen los niveles de voltaje estables

Hay dos razones por las cuales los niveles de voltaje fluctúan:

• La inductancia de rastreo / cable disminuye la tasa máxima de cambio de corriente a través de ese rastreo / cable; un aumento repentino en la "demanda" de corriente dará como resultado una caída en el voltaje; una disminución repentina en la 'demanda' de corriente dará como resultado un pico en el voltaje.
• Las fuentes de alimentación (especialmente las del tipo de conmutación) necesitan tiempo para responder y van a la zaga de la demanda actual.

Un condensador de desacoplamiento suavizará la demanda de corriente y reducirá las caídas o picos de voltaje.

PUEDEN reducir la EMI (transmisión)

Cuando hablamos de interferencia electromagnética, nos referimos a la transmisión de interferencia electromagnética no intencional o la recepción de señales electromagnéticas intencionadas o no que interfieren con la función de su dispositivo. Típicamente se refiere a la transmisión en sí.

La colocación de condensadores (de desacoplamiento) entre los planos de potencia y tierra cambia el coeficiente de transmisión en un rango de frecuencias. Aparentemente, usar un solo valor para sus condensadores para toda la PCB, así como condensadores con pérdida / alta resistencia es el camino a seguir si necesita reducir EMI, sin embargo, esto va en contra de la práctica común (que aboga por un orden creciente de capacitancia cuanto más cerca esté a la fuente de alimentación). La mayoría de las personas no se preocupan realmente por EMI si hacen circuitos para su pasatiempo (aunque los radioaficionados generalmente lo hacen), pero se vuelve inevitable cuando se diseña un circuito para la producción en masa.

Un condensador (de desacoplamiento) PUEDE reducir la radiación electromagnética involuntaria producida por su circuito.

Para responder a sus preguntas restantes ...

¿Cómo sé si necesito uno y, de ser así, de qué tamaño y dónde debe ir?

Por lo general, coloca un condensador de desacoplamiento siempre que sea posible, eligiendo el tamaño físico más pequeño con el mayor valor lo más cerca posible del pin de la fuente de alimentación del CI.

¿Sería necesario un registro de desplazamiento de acceso paralelo de 4 bits SN74195N utilizado con un Arduino? (Para usar mi proyecto actual como ejemplo) ¿Por qué o por qué no?

Probablemente funcionaría bien, pero ¿por qué molestarse con 'probablemente' si puede aumentar las probabilidades colocando un componente que cuesta algunos centavos, incluso un centavo en algunos casos?

Casi todos los circuitos integrados deberían tener un condensador de desacoplamiento. Si la hoja de datos no especifica nada, como mínimo, coloque una tapa de cerámica de 0.1 uF cerca del pin de alimentación del IC, con una capacidad nominal de al menos el doble del voltaje que está utilizando.

Muchas cosas requerirán más capacitancia en la entrada. A menudo puede encontrar esas recomendaciones en hojas de datos, notas de aplicaciones o esquemas del kit de evaluación.

Vamos a quitar algo de la magia sobre las tapas de derivación, mejorando el modelo de circuito; Las puertas de la familia 7400 se ven así:

Esta compuerta, paquete 3 en uno disponible, proporciona alta velocidad (gran abanico) y alta velocidad. Dentro de un 74195, no necesitamos toda esa unidad. Necesitamos velocidad. Asumiremos un disparo de 2 mA por puerta (~~ 15 puertas por FF)

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Necesitamos almacenar suficiente carga para 1uS de actividad de reloj ocupado. ¿POR QUÉ? ¿Por qué usar 1uS? Debido a que los condensadores grandes y los cables largos sonarán y alterarán el VDD en el CI, a menos que esté humedecido. ¿Qué frecuencia de llamada? 1uH y 1uF producen 0.159KHz. ¿Cómo humedecer?

Use Q = 1 [definido como Q = ZL / R = 2 (pi Fring L / R)] y Fring = 1/2 * pi sqrt (L C), encontramos Rdampen = sqrt (L / C). Para 1uH y 1uF, necesita UN OHM.

Considere este circuito para un buen control del timbre de VDD:

^{simular este circuito}

¿Qué nos dice Signal Chain Explorer sobre esta amortiguación de 1_ohm?

¿Sorpresa? El ingeniero lógico también necesita DISEÑAR el filtrado VDD y la amortiguación VDD.

Para responder a su pregunta en resumen: DC no pasa a través del condensador, AC sí. La mayoría del ruido es ruido acoplado a CA, o tiene características de CA, es decir, conmutación + - algún valor de CC. Para acomodar estos cambios, utiliza un condensador de DESCONEXIÓN. Simplemente acorta las señales de CA. Hay un mar abundante de excelentes notas de aplicaciones sobre por qué y cómo funcionan: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Además, la charla sobre condensadores de depósito / suavizado: mencionarlo en este hilo solo confunde a los recién llegados en términos de terminología.
El suavizado se realiza para crear un voltaje muy estable. Por ejemplo, las salidas de algunos sensores / circuitos dependen proporcionalmente de su voltaje de suministro. Las ondas en el suministro afectarán directamente su producción.

El condensador es un elemento de almacenamiento y ahorrará energía en forma de carga. Volviendo a la tapa de desacoplamiento, también se llama condensador de derivación, ya que evitará la ondulación del suministro y esta tapa cargada intentará mantener el voltaje de CC fijo en el pin VDD.

Son necesarios para reducir la impedancia del sistema de suministro de energía. A altas frecuencias, las fuentes de alimentación presentan una impedancia en serie no despreciable, principalmente debido a la inductancia de las redes de alimentación. Eche un vistazo a la sección "Colapso de rieles en integridad de energía" del siguiente artículo que puede ayudarlo a comprender la idea: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/