O que é um capacitor de desacoplamento e como sei se preciso de um?

O que é um capacitor de desacoplamento (ou capacitor de suavização, conforme mencionado no link abaixo)?

Como sei se preciso de um e, em caso afirmativo, qual o tamanho e para onde ele precisa ir?

Esta pergunta menciona muitos chips que precisam de um entre VCC e GND; como sei se um chip específico é um?

Um registro de troca de acesso paralelo SN74195N de 4 bits usado com um Arduino precisaria de um? (Para usar meu projeto atual como exemplo) Por que ou por que não?

Sinto que estou começando a entender o básico dos resistores e alguns locais em que são usados, quais valores devem ser usados ​​nesses locais, etc., e também gostaria de entender os capacitores no nível básico.

Fui eu quem fez essa pergunta. Aqui está o meu entendimento rudimentar:

Você conecta capacitores em / GND para tentar manter a tensão mais constante. Sob um circuito CC, um capacitor atua como um circuito aberto, portanto não há problema em causar curto-circuito. À medida que o dispositivo é ligado ( = 5V), o capacitor é carregado até a capacidade e aguarda até que haja uma alteração na tensão entre e GND ( = 4,5V). Nesse ponto, o capacitor descarregará para tentar trazer a tensão de volta ao nível de carga dentro do capacitor (5V). Isso é chamado de "suavização" (ou pelo menos é o que eu chamo) porque a mudança de tensão será menos pronunciada.$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$$V_{CC}$

Por fim, a tensão nunca retornará a 5V através de um capacitor, mas o capacitor descarregará até que a carga interna seja igual à tensão de alimentação (para um equilíbrio). Um mecanismo semelhante é responsável pela suavização se aumentar muito além da média ( = 5.5V, talvez).$V_{CC}$$V_{CC}$

Por que você precisa deles, eles são muito importantes em circuitos digitais e analógicos de alta velocidade. Não posso imaginar que você precisaria de um para um SN74195, mas não pode doer!

As fontes de alimentação são lentas ... elas levam aproximadamente 10 nós para responder (ou seja, largura de banda de até 100 kHz). Portanto, quando seu microcontrolador grande, ruim e com vários MHz alterna um monte de saídas de alto para baixo, ele se retira da fonte de alimentação, fazendo com que a tensão comece a cair até perceber (10 nós depois!) Que precisa fazer algo para corrigir a tensão caída.

Para compensar fontes de alimentação lentas, usamos capacitores de desacoplamento. Os capacitores de desacoplamento adicionam rápido "armazenamento de carga" próximo ao IC. Portanto, quando seu micro alterna as saídas, em vez de extrair carga da fonte de alimentação, ele primeiro extrai os capacitores. Isso comprará a fonte de alimentação por algum tempo para se ajustar às novas demandas.

A "velocidade" dos capacitores varia. Basicamente, capacitores menores são mais rápidos; a indutância tende a ser o fator limitante, e é por isso que todos recomendam colocar os limites o mais próximo possível do VCC / GND com os leads mais curtos e amplos que sejam práticos. Portanto, escolha a maior capacitância do menor pacote e eles fornecerão a maior carga o mais rápido possível.

Normalmente chamado um "tampão de bypass", porque o ruído de alta frequência ignora o IC e flui directamente para o solo, ou um " tampão de desacoplamento ", porque evita que a tomada de corrente de um IC de acoplamento no fornecimento de energia do outro IC.

"como sei se um chip específico é um?"

Apenas assuma que todos eles fazem. :) Se um chip estiver consumindo corrente de forma intermitente, fará com que a tensão de alimentação caia intermitentemente. Se outro chip estiver "downstream", ele verá esse ruído nos pinos de energia. Se for ruim o suficiente, pode causar erros, ruído ou o que for. Então, geralmente colocamos limites de desvio em tudo, "a montante" do IC. (Sim, a orientação dos traços e a localização dos componentes são importantes, pois o cobre não é um condutor perfeito.)

Um capacitor de suavização (também conhecido como capacitor de desacoplamento ) é usado para reduzir a mudança na tensão da fonte de alimentação. Quando você extrai altas correntes da fonte de alimentação (como quando a lógica digital muda de estado), você verá uma alteração na tensão de alimentação. A comutação tenta extrair grandes correntes instantâneas e produz uma queda de tensão devido à impedância da fonte de tensão e à conexão entre a fonte de tensão e o IC. Um capacitor de desacoplamento ajudará a manter (ou suavizar) a tensão de alimentação no dispositivo. Colocar esse elemento de armazenamento próximo ao IC reduz a mudança de tensão no IC.

A menos que você meça a tensão de alimentação em cada CI quando ele estiver consumindo suas correntes máximas de comutação, é difícil dizer qual a eficácia do capacitor. Para a maioria dos dispositivos digitais, a recomendação é de 0,1uF de cerâmica muito perto do dispositivo. Como os capacitores são pequenos e de baixo custo, a maioria dos designers apenas adiciona os capacitores. Às vezes, se eu tiver dois dispositivos lógicos muito próximos, você poderá orientar um único capacitor entre dois CIs. Geralmente não é esse o caso.

Os ICs da fonte de alimentação têm requisitos maiores de capacitor de suavização, pois as correntes de swithing são maiores. Para esses dispositivos, é necessário examinar mais de perto os requisitos de ondulação do aplicativo para determinar o capacitor de filtragem apropriado.

Apenas para adicionar mais sobre as emissões EM.

A maioria das empresas recomendará limites de 0,1uF em cada entrada de energia. Lembre-se de que este é apenas o mínimo necessário para evitar quedas de tensão que possam afetar a operação. Se você está construindo uma placa de circuito impresso que precisa passar na Parte 15 da FCC para emissões, precisa ir além.

Por fim, você precisa calcular toda a capacitância necessária no plano da fonte de alimentação com base no design da placa de circuito impresso e no uso de energia. Uma regra geral que eu uso como ponto de partida é uma tampa de tântalo de 10uF por IC principal (microcontrolador, ADC, DAC, etc) e, em seguida, uma tampa de 0,1uF e 10nF em cada pino de energia em cada IC. As cápsulas de 10nF precisam ser pequenas - de preferência com tamanho 0402 ou no máximo 0603 - para evitar a indutância de chumbo da embalagem que anula o efeito do capacitor.

Eu recomendo este livro se você planeja entrar em design digital de alta velocidade, alta velocidade significando algo acima de 1MHz.

As questões relacionadas à dissociação parecem estar surgindo muito ultimamente. Dei uma resposta detalhada aqui: Desacoplamento de tampas, layout de PCB

Isso fala sobre dissociar problemas e layout. A suavização da fonte de alimentação é uma questão totalmente diferente. Isso geralmente requer limites maiores que precisam ser capazes de armazenar uma quantidade razoável de energia, uma vez que a frequência de ondulação da fonte de alimentação é muito menor do que as que os limites de desacoplamento de frequências devem suportar.

Eu gostaria de enfatizar um dos pontos de jluciani. É muito importante colocar o capacitor o mais próximo possível da entrada de energia dos chips. Isso pode ajudar a eliminar qualquer ruído introduzido em qualquer outro lugar, no seu circuito, da fonte de alimentação ou até mesmo algum ruído sendo irradiado de uma fonte da placa.

jluciani está certo de que 0,1uF é muito comum por ser colocado próximo aos CIs. Basta pensar na capacitância quanto a carga que o capacitor pode reter; portanto, quanto maior a capacitância, mais carga ela está retendo. Se você colocar capacitores em paralelo, você adiciona mais capacidade, resultando em uma capacitância efetiva mais alta.

Quanto à sua pergunta sobre se esse chip precisa ou não, eu diria que não faria mal. A folha de dados geralmente especifica se o chip precisa de capacitores de desacoplamento (também conhecidos como suavização) e, se sim, qual é o valor recomendado.

Apenas para adicionar alguns pontos às outras respostas:

Para medir os efeitos dos picos de corrente na tensão de alimentação, você precisará de um osciloscópio rápido. Depende da velocidade dos circuitos, mas acho que você precisaria de largura de banda de 200MHz a 1GHz.

Além disso, se o circuito da fonte de alimentação com os picos de corrente for grande, ele causará emissões de rádio, o que é desaprovado por várias razões técnicas e legais. Um capacitor de bypass atua como um atalho para esses picos, portanto, há muito menos emissão.

As tampas de derivação são suficientemente baratas que, em muitos casos, não há razão para não colocá-las em qualquer lugar. Se espaço ou custo são questões extremas, no entanto, pode ser razoável deixar de lado alguns. A chave é reconhecer o que pode acontecer se eles forem deixados de fora. Minha sugestão seria assumir o pior cenário possível: (1) a radiação de RF na frequência de comutação de entrada pode aumentar e (2) sempre que uma entrada alternar, assuma que as saídas e o estado interno do dispositivo ser arbitrariamente glitched. Se um desses comportamentos for um problema, são necessários limites de desvio. Se nenhum deles for um problema (por exemplo, porque nenhuma das entradas muda com freqüência suficiente para que a radiação seja um problema, o dispositivo não possui um estado interno,

Geralmente, alguns ou muitos CIs, transistores ou válvulas (tubos) serão conectados à mesma fonte de alimentação. Como um dispositivo nessas situações opera, ele extrai quantidades variáveis ​​de corrente da fonte de alimentação de acordo com o sinal que passa por ela. Como as fontes de alimentação não são perfeitas, a corrente variável faz com que uma tensão variável apareça nos trilhos de alimentação. Todos os outros dispositivos conectados à mesma fonte de alimentação sentirão essa tensão, ou seja. um sinal de ruído será acoplado a eles. Isso pode causar instabilidade nos circuitos analógicos ou comutação incorreta nos digitais. Ao colocar os capacitores de desacoplamento nos pontos descritos acima, a tensão da fonte de alimentação se torna mais estável e os dispositivos são dissociados um do outro.

Frequentemente, a folha de dados do chip especifica especificamente quantos capacitores e qual o tamanho a ser usado. Caso contrário, a melhor prática é conectar uma tampa de 1 uF aos pinos de energia de cada chip, além de uma tampa maior em algum lugar da placa. (Antes de 2001, as melhores práticas usavam 0,1 uF caps).

ps: você considerou usar um 74HC595 ou 74HC166 em vez do 74195? Eu suspeito que isso funcionaria tão bem e liberaria alguns pinos no seu Arduino.

As pessoas geralmente dão uma explicação quando perguntadas qual é a função de desacoplar capacitores, mas a verdade é que elas cumprem várias tarefas.

Aqui está a lista de coisas que eu conheço:

Reduzem o ressalto do solo

O ressalto de terra é um fenômeno em que uma diferença de tensão variável no plano de terra afeta negativamente (principalmente) sinais analógicos e (às vezes) digitais. Para sinais analógicos, como o áudio, por exemplo, isso pode se manifestar na forma de ruído agudo. Para sinais digitais, isso pode significar transições de sinal ausentes / atrasadas / falsas.

A diferença de voltagem variável é causada pela criação e colapso de campos magnéticos causados ​​pela alteração dos fluxos de corrente.

Quanto maior o caminho que o fluxo de corrente deve seguir, maior a indutância associada a ele e pior o ressalto do solo. Vários caminhos de fluxo de corrente também agravam o problema, bem como a velocidade com que a corrente muda.

Obviamente, o fluxo de corrente ocorre entre uma fonte de alimentação e um IC conectado, mas um pouco menos obviamente também entre os ICs "em comunicação". O fluxo atual associado a dois ICs se parece com isso; fonte de alimentação -> IC 1 -> IC 2 -> terra -> fonte de alimentação.

Um capacitor de desacoplamento diminui efetivamente o comprimento do caminho da corrente, funcionando como uma fonte de energia, diminuindo a indutância e, portanto, a oscilação do solo.

O exemplo anterior se torna; Cap -> IC 1 -> IC 2 -> Terra -> Cap

Eles mantêm os níveis de tensão estáveis

Há duas razões pelas quais os níveis de tensão flutuam:

• A indutância do traço / fio diminui a taxa máxima de mudança de corrente através desse traço / fio; um aumento repentino na 'demanda' de corrente resultará em uma queda de tensão; uma diminuição repentina na 'demanda' de corrente resultará em um aumento na tensão.
• As fontes de alimentação (especialmente as do tipo de comutação) precisam de tempo para responder e ficarão um pouco abaixo da demanda atual.

Um capacitor de desacoplamento suaviza a demanda de corrente e reduz quaisquer quedas ou picos de tensão.

Eles PODEM reduzir EMI (transmissão)

Quando falamos de interferência eletromagnética, estamos nos referindo à transmissão de interferência eletromagnética não intencional ou ao recebimento de sinais eletromagnéticos pretendidos ou não, que estão interferindo na função do seu dispositivo. Normalmente, refere-se à própria transmissão.

A colocação dos capacitores (dissociação) entre os planos de potência e o solo altera o coeficiente de transmissão em uma faixa de frequências. Aparentemente, usar apenas um valor para seus capacitores para toda a PCB, bem como capacitores com perdas / alta resistência, é o caminho a percorrer se você precisar reduzir a EMI, no entanto, isso é contrário à prática comum (que defende uma ordem crescente de capacitância quanto mais perto você estiver à fonte de alimentação). A maioria das pessoas realmente não se preocupa com a EMI se faz circuitos para o seu hobby (embora os amadores de rádio normalmente o façam), mas isso se torna inevitável quando você está projetando um circuito para produção em massa.

Um capacitor (dissociação) PODE reduzir a radiação eletromagnética indesejada produzida pelo seu circuito.

Para responder às suas perguntas restantes ..

Como sei se preciso de um e, em caso afirmativo, qual o tamanho e para onde ele precisa ir?

Normalmente, você coloca um capacitor de desacoplamento sempre que possível, escolhendo o menor tamanho físico com o maior valor o mais próximo possível do pino da fonte de alimentação do IC.

Um registro de troca de acesso paralelo SN74195N de 4 bits usado com um Arduino precisaria de um? (Para usar meu projeto atual como exemplo) Por que ou por que não?

Provavelmente funcionaria bem, mas por que se preocupar com 'provavelmente' se você pode aumentar as chances colocando um componente que custa alguns centavos, mesmo um centavo em alguns casos?

Praticamente todo CI deve ter um capacitor de desacoplamento. Se nada for especificado na folha de dados, coloque no mínimo uma tampa de cerâmica de 0,1 uF perto do pino de energia do IC, classificada para pelo menos duas vezes a voltagem que você está usando.

Muitas coisas exigirão mais capacitância na entrada. Muitas vezes, você pode encontrar essas recomendações em folhas de dados, notas de aplicativos ou esquemas de kits de avaliação.

Vamos tirar um pouco da magia das tampas de desvio, melhorando o modelo de circuito; Os portões da família 7400 são assim:

Esse portão, disponível em um pacote 3-em-um, oferece alta movimentação (fanout grande) e velocidade rápida. Dentro de um 74195, não precisamos de toda essa unidade. Nós precisamos de velocidade. Assumiremos um disparo de 2mA por porta (~~ 15 portas por FF)

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Precisamos armazenar carga suficiente para 1 uS de atividade de relógio ocupado. PORQUE? Por que usar 1uS? Porque grandes capacitores e fios longos tocam e perturbam o VDD no IC, a menos que sejam amortecidos. Qual frequência de toque? 1uH e 1uF produzem 0,159 KHz. Como amortecer?

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

Considere este circuito para um bom controle do toque do VDD:

^{simule este circuito}

O que o Signal Chain Explorer nos diz sobre esse amortecimento de 1 ohm?

Surpresa? O engenheiro lógico também precisa PROJETAR a filtragem VDD e o amortecimento VDD.

Para responder à sua pergunta resumidamente: CC não passa pelo capacitor, CA faz. A maioria dos ruídos é ruído acoplado à CA ou tem características de CA, ou seja, comutação + - algum valor CC. Para acomodar essas alterações, use um capacitor DECOUPLING. Simplesmente reduz os sinais CA. Há um mar abundante de ótimas notas de aplicativos sobre por que e como elas funcionam: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-101.pdf

Além disso, a conversa sobre capacitores de reservatório / suavização - abordar esse tópico apenas confunde os recém-chegados em termos de terminologia.
A suavização é feita para criar uma tensão muito estável. Por exemplo, algumas saídas de sensores / circuitos dependem proporcionalmente à sua tensão de alimentação. Ondulações no suprimento afetam diretamente sua saída.

O capacitor é um elemento de armazenamento e economiza energia na forma de carga. Voltando à tampa de desacoplamento, ele também é chamado de capacitor de derivação, pois desviará a ondulação da fonte e essa tampa carregada tentará manter a tensão contínua de CC no pino do VDD.

Eles são necessários para diminuir a impedância do sistema de fornecimento de energia. Em altas frequências, as fontes de alimentação apresentam uma impedância em série não desprezível, principalmente devido à indutância das redes de energia. Dê uma olhada na seção "Recolhimento de trilhos na integridade de energia" do seguinte artigo que pode ajudá-lo a entender a idéia: https://www.cohenelec.com/considering-capacitor-parasitics/