¿Los chips realmente necesitan múltiples valores de condensador de desacoplamiento en los mismos paquetes?

Aquí se hace una pregunta similar: ¿regla de "dos condensadores de derivación / desacoplamiento"? Pero esa pregunta se refería a los condensadores de derivación paralelos sin mencionar el tamaño del paquete (pero las respuestas en su mayoría suponían partes paralelas con diferentes tamaños de paquetes), mientras que esta se refiere específicamente a los condensadores de derivación paralelos en el mismo tamaño de paquete.

Hace poco asistí a un curso sobre diseño digital de alta velocidad, donde el profesor se esforzó un poco para explicar que el rendimiento de un condensador para desacoplarse estaba limitado casi por completo por su inductancia, que a su vez se debió casi por completo a su tamaño y ubicación.

Su explicación parece chocar con los consejos dados en muchas hojas de datos, que sugieren múltiples valores de condensador de desacoplamiento aunque tengan el mismo tamaño de paquete.

Creo que su recomendación sería: para cada tamaño de paquete, elija la capacitancia más alta que sea posible y colóquela lo más cerca posible, con los paquetes más pequeños más cercanos.

Por ejemplo, en un esquema de Lattice Semiconductor, sugieren lo siguiente:

• 470pF 0201
• 10nF 0201
• 1uf 0306

Q1: ¿Es realmente útil ese capacitor de 470pF?

Q2: ¿No tendría sentido reemplazar los tres con un solo condensador de 1uF en un paquete 0201?

P3: Cuando la gente dice que un condensador de mayor valor es menos útil a frecuencias más altas, ¿cuánto de eso se debe a la capacitancia y cuánto se debe al aumento del tamaño del paquete generalmente asociado con mayúsculas más grandes?

Esta es una pregunta que me he estado preguntando de vez en cuando, y aún no he encontrado una respuesta. Hice una simulación con LTSpice para obtener algún tipo de respuesta. Elegí un par de condensadores de Murata prácticamente al azar: 4.7 µF https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GRM155R61A475MEAA%23.html y 100nF https://psearch.en.murata.com/ condensador / producto / GRM152B31A104KE19% 23.html

Configuré el ESL para ambas tapas a 300p y ESR para 100 nF a 30m y para 4.7 µF a 8m. Con estos valores, su impedancia parece coincidir bastante bien con la de los gráficos de Murata. (Para ser precisos, el ESL no es exactamente el mismo, pero está lo suficientemente cerca, así que usaré el mismo valor)

Simulé con solo 4.7 µF, 4.7 µF + 100 nF y 2 x 4.7 µF. Agregué 1 nH de inductancia entre los condensadores, para simular la traza que los conecta.

Los resultados son interesantes, pero no muy inesperados. Agregar 100 nF aumenta el filtrado, excepto la frecuencia antirresonancia. Agregar otros 4.7 µF tiene el mismo efecto, excepto que no hay antirresonancia. El 100 nF funciona mejor en su frecuencia de resonancia propia, pero su efecto es menor que el rendimiento de filtrado perdido de la antirresonancia. Basado en esto, simplemente agregaría más condensadores más grandes.

Pero si, por ejemplo, tuvo un problema de ruido a 30 MHz, entonces tiene sentido agregar ese condensador de 100 nF, ya que filtra bien esa frecuencia.

Q1: ¿Es realmente útil ese capacitor de 470pF?

A su frecuencia resonante lo es. Si no hay ruido a esa frecuencia, entonces no tanto.

P2: ¿No tendría sentido reemplazar los tres con un solo condensador de 1uF en un paquete 0201?

Probablemente sería mejor agregar dos condensadores 1 µF 0201. Luego, si se encuentra con problemas a cierta frecuencia, puede cambiar uno de ellos a un capacitor que tenga SRF a esa frecuencia. También podría dejar el otro como no ensamblado, pero los condensadores son baratos, ¿por qué molestarse?

P3: Cuando la gente dice que un condensador de mayor valor es menos útil a frecuencias más altas, ¿cuánto de eso se debe a la capacitancia y cuánto se debe al aumento del tamaño del paquete generalmente asociado con mayúsculas más grandes?

Más o menos se trata del tamaño del paquete. Por supuesto, el SRF más alto ayuda de nuevo, pero solo si tiene ruido a esa frecuencia. De lo contrario, es mejor duplicar la capacitancia más grande.

La respuesta es simple:

• No hay condensadores dieléctricos NP0 10nF en tamaño 0201.

La capacidad máxima para estos es de aproximadamente 1nF. Entonces, o necesita un paquete más grande o debe adherirse al dieléctrico X7R, que no se comporta tan bien a> 10MHz.

Lea la respuesta duplicada para toda la teoría, pero aquí hay una buena regla general:

Los condensadores de mayor valor son menos efectivos a frecuencias más altas y, por supuesto, los condensadores de menor valor no serán efectivos a una frecuencia más baja.

Por lo tanto, los diferentes condensadores proporcionan estabilización para una banda de frecuencia diferente. Dependiendo de su aplicación y la cantidad de 'ruido' que genera a diferentes frecuencias, necesita aplicar condensadores con valores específicos para estabilizar el bus de energía.

Una regla general es al menos 1-10uF más 100nF, pero el ejemplo anterior se ve bastante bien para un circuito con una alta velocidad de reloj. Para aplicaciones de audio, desea algo similar, pero con un valor mucho mayor para satisfacer las demandas del bus de alimentación con frecuencias de música.

Q1: Sí, mata la oscilación de alta frecuencia y el ruido. P2: No, puede tener un problema con el ruido de alta frecuencia.

PD: los condensadores pequeños deben colocarse más cerca de los pines IC para minimizar la inductancia entre los pines del condensador y los pines IC. Los condensadores de mayor valor se pueden colocar más lejos si es necesario.

Poner dos tipos diferentes de condensadores en paralelo, como un electrolítico y uno cerámico, proporcionará una baja impedancia en un rango de frecuencia mucho más amplio.

Los electrolíticos tienen una inductancia significativa. Su impedancia a altas frecuencias a menudo no será suficiente para evitar un chip. Un condensador de cerámica en el rango de 0.01 a 0.1uF más o menos tendrá una baja impedancia en las decenas de megahercios, típicamente.

Yo uso amplificadores operacionales en circuitos lineales. Los amplificadores operacionales oscilarán y / o exhibirán una respuesta transitoria muy pobre si no se omiten adecuadamente. Sueldo un condensador de cerámica de 0.1 uF / 50V directamente a los cables de alimentación del chip, en la parte inferior de la placa. El condensador electrolítico se elige de acuerdo con los requisitos de carga colocados en el chip; 1 a 100 uF es común. El electrolítico debe estar lo más cerca posible del chip, pero 20-30 mm generalmente es aceptable si es necesario.