Diferença: filtro passa-baixo e capacitor grande?

Ao trabalhar com microcontroladores, é recomendável colocar capacitores de filtro / desacoplamento entre um pino de alimentação e o terra. Entendo o objetivo desta implementação, a saber, que a tensão através de um capacitor não pode mudar instantaneamente, mas quais são as diferenças pendentes entre um capacitor singular e um filtro passa-baixo?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

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

Por exemplo, se eu quisesse fornecer à minha tensão de referência ADC um suprimento limpo para comparar as tensões de entrada, poderia realizar um filtro passa-baixo para rejeitar as flutuações de alta frequência ou simplesmente inserir um capacitor de tamanho adequado.

Meu pensamento imediato é que a demanda inicial de corrente de um capacitor singular poderia momentaneamente exceder a classificação máxima do MCU, mas com um resistor essa corrente seria limitada. Não seria com um LPF (com um resistor) que alguém poderia projetar de tal forma que a impedância de saída do filtro seja infinita para não carregar o ADC? Da mesma forma, um capacitor sozinho forneceria filtragem de tensão suficiente, mas não resultaria em uma baixa impedância de saída?

Quais são os prós e os contras de cada realização da filtragem e quando um designer deve usar um ou outro?

Quaisquer outros pensamentos?

A tampa próxima ao pino de alimentação não é para proteger a peça contra ruídos, mas para impedir que a peça gere ruído, pois a troca lógica causa mudanças rápidas na corrente de alimentação. Idealmente, a tampa forneceria demandas instantâneas por mais corrente, sem aumentar a corrente até a fonte de energia.

A soma das impedâncias no lado da fonte de alimentação do circuito - a impedância interna da fonte de alimentação mais a indutância, resistência e capacitância dos traços ou planos - é suficiente para fornecer uma filtragem de passa-baixa no lado de entrada da tampa. Penso na tampa como uma fonte de alimentação minúscula que pode responder às demandas com uma largura de banda na faixa de multi-MHz. Os reguladores maiores que fornecem um circuito completo reagem muito lentamente e a tampa é uma fonte temporária de energia que substitui ou ignora (ou desacopla) o PSU. Colocar a tampa perto do pino de energia em um chip minimiza a resistência e a indutância que retardariam a resposta.

As peças CMOS consomem a maior parte de sua energia durante a troca de estado. Para microprocessadores, isso significa nas bordas do relógio e o consumo atual ocorre em pequenos picos rápidos. O tamanho dos picos varia tão rápido quanto o relógio, pois todas as instruções usam combinações diferentes de circuitos internos. Imagine o circuito usado na verificação de zero no registro em comparação à busca de dados na RAM. A energia necessária flutua na velocidade do relógio. Quanto maiores as mudanças atuais, maior o limite. Calcular o tamanho certo é uma questão de estimativa para a maioria de nós e a tampa de cerâmica de 0,1uF é tão comum que custa muito baixo. A construção do capacitor também é uma preocupação, além de mudar com a temperatura. Alguns podem responder mais rapidamente que outros e outros variam 80% na faixa de temperatura comercial.

Eles também são chamados de limites de derivação porque: 1) Eles podem "desviar" (curto) o ruído da PSU de alta frequência para o solo. 2) Eles podem "ignorar" a PSU e responder a demandas de alta frequência por energia.

Também chamado de "tampas de desacoplamento", termo mais preciso para altas frequências, pois "desacopla" a demanda de energia entre a peça e a fonte de alimentação.

A resposta curta:

Um capacitor sozinho é bom para fornecer energia quando o consumo de energia do MCU muda rapidamente. O filtro RC é usado para bloquear sinais indesejados de alta frequência.

A resposta looong:

Os dois circuitos diferentes são usados ​​para finalidades diferentes. Como você afirmou, a tensão no capacitor não pode mudar instantaneamente.

Tenho certeza que você sabe disso

1. Um MCU requer uma tensão mínima para operar
2. Um MCU requer uma quantidade variável de energia durante a operação

Como a energia é igual a tensão * corrente (P = VI) e a tensão deve ser constante, qualquer mudança na energia se manifesta como uma mudança na corrente.

Para um projeto hipotético com um regulador de tensão e um MCU:

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

Digamos que removemos o C2:

^{simule este circuito}

(Desculpe pelos vários esquemas, não configurei uma conta para esse site esquemático e preciso continuar redesenhando-o)

Se o regulador de tensão que está fornecendo energia ao MCU fosse perfeito e não houvesse indutância parasitária ou resistência a traços, o MCU consumiria uma quantidade variável de corrente e o regulador não abaixaria ou aumentaria sua tensão. Infelizmente, no mundo real, uma placa de circuito se parece mais com isso:

^{simule este circuito}

(Nota rápida: neste contexto, um indutor pode ser pensado em um resistor em alta frequência)

Devido à indutância parasita do painel, a resistência do traço e o fato de os reguladores não poderem responder instantaneamente às mudanças na corrente de consumo, a tensão cai e aumenta à medida que o MCU consome mais ou menos corrente, respectivamente.

Como referência, aqui está um gráfico de uma folha de dados do LM7805

ST 7805

Isso mostra o tempo de resposta finito da tensão de saída regulada do LM7805 (o triângulo diminui e aumenta a linha inferior) à medida que a carga aumenta e diminui. Se o regulador fosse perfeito, o 'Desvio de tensão' não aumentaria ou diminuiria quando houver um aumento ou diminuição relativamente rápido da corrente.

Entendo que os indutores podem ser um pouco confusos para serem usados ​​no início, por uma questão de simplicidade, você pode substituir o indutor no esquema acima por um resistor e adicionar os dois resistores juntos e você tem um resistor entre seu regulador e o MCU. Isso é ruim porque V = IR e quanto mais corrente o MCU consome, mais uma queda de tensão será vista através do resistor. (Vou explicar mais sobre o que esses resistores fazem abaixo quando falo sobre filtros RC.

Voltar ao design original. O capacitor de derivação é colocado o mais próximo possível do MCU, de modo que todas as indutâncias e resistências encontradas em uma placa de circuito e o fato de um regulador não poder responder instantaneamente não afetem o nível de tensão no MCU.

Para o seu segundo circuito (RC)

^{simule este circuito}

A razão pela qual um resistor não deve ser adicionado para ignorar uma MCU é porque a tensão através de um resistor é relativa à corrente que está sendo extraída através dele. Isso é importante porque se um MCU opera em 5V e consome 10mA inativo (operando sem fazer nada), há uma queda de tensão nesse resistor de:

R * 10mA = Vdrop

Portanto, se você tivesse um resistor de 50 ohms, diminuiria 0,5V, isso pode redefinir seu MCU.

Um filtro passa-baixo, como o filtro RC que você desenhou, não é bom para fornecer energia, mas é útil para filtrar os componentes de alta frequência de um sinal.

Isso é ótimo para sinais que estão sendo lidos com um ADC porque um ADC só pode amostrar em uma taxa específica; portanto, se um sinal estiver mudando a uma taxa maior que os sinais de alta frequência (realmente 1/2 da taxa devido ao teorema de Nyquist) ) será exibido como ruído aleatório, por isso é bom removê-lo com um filtro RC.

Como exemplo, digamos que você tenha um ADC que faça amostragens a uma taxa de 10Khz

e você deseja ler um sensor analógico que muda apenas a uma taxa de 1KHz, você pode configurar seu filtro RC para filtrar sinais maiores que 5Khz (você provavelmente não deseja começar a filtrar a 1Khz porque um filtro RC tem um pequeno quantidade de atenuação abaixo da frequência em que foi projetada para filtrar.

Portanto, para projetar um filtro RC para conseguir isso, você pode usar um resistor de:

330 Ohms e uma capacitância de .1uF

Aqui está uma ótima calculadora, se você precisar resolver isso para outras frequências:

Awesome RC Calculator

Espero ter permanecido no tópico o suficiente para responder à sua pergunta.

A diferença é que a colocação apenas do capacitor depende da impedância da fonte de alimentação e da impedância da fonte do chip para formar o restante do filtro passa-baixo. Ou seja, ambas as instâncias criam um LPF, o resistor explícito é simplesmente para ajustá-lo.

Você está certo. Essa é a técnica de dissociação, e temos que seguir as sugestões dos fabricantes. A dissociação típica consiste em:

-> Um capacitor eletrolítico grande (10 ~ 100μF) a não mais de 5 cm de distância do chip. O objetivo deste capacitor é suprir “localmente” os requisitos instantâneos de corrente, evitando tirar essa energia da linha de força principal e sua impedância. o Este é um capacitor de baixa ESR. -> Um capacitor menor (0,01 μF - 0,1 μF) mais próximo dos pinos de energia do IC possível, para expulsar os componentes de alta frequência do IC. Ambos os capacitores devem ser conectados a uma grande área de terra na placa de circuito impresso para uma indutância mínima. -> Um leito de ferrite em série com pino Vcc de IC, para reduzir EMI de e para este IC.

Como você pode julgar, as técnicas acima são técnicas gerais para CI linear e digital. Mas o filtro RC que você desenha, é dedicado ao desacoplamento digital de IC. As mudanças no estado das portas digitais fazem com que a tensão PS flutue devido à impedância do traço. O ruído de alta frequência pode ser minimizado usando topologias RC ou LC. No filtro LC, o ruído aparece através da bobina, e não no chip ou no circuito da fonte de alimentação. Ele fornece uma filtragem muito eficiente, mas possui uma frequência ressonante que pode irradiar EMI. Uma cama de ferrite pode ser usada em vez do indutor.

O filtro RC que você mencionou, converte ruído em calor e, como tal, é dissipado. Con é que o resistor introduz uma queda de tensão na tensão fornecida. Por outro lado, o filtro RC é mais barato. Algumas vezes você pode encontrar uma resistência de enrolamento de fio em vez de indutor

Os itens acima são recommentados pela Silicon Labs e Analog Devices

O filtro passa-baixo é usado para bloquear sinais de alta frequência e ruído acima da frequência específica. A ressonância ocorre nessa frequência específica. Todos os sinais acima da frequência de ressonância serão aterrados e aproximadamente o capacitor que você descreveu é o mesmo.

O filtro RC é usado em vez do filtro LC para fins econômicos.