¿Por qué los condensadores de desacoplamiento / derivación no necesitan resistencias para realizar su función, como los filtros normales?

¿Por qué los condensadores de desacoplamiento / derivación no necesitan resistencias para realizar su función, como los filtros normales?

¿Se debe a que la resistencia parásita de las trazas de cobre es suficiente para filtrar, junto con el condensador, las frecuencias objetivo de las tapas de desacoplamiento?

No pensaría en un condensador de desacoplamiento como un filtro en la forma en que lo describe. Al igual que un filtro RC como este, donde la fuente del ruido es la fuente de alimentación y sus condensadores de "desacoplamiento" están ayudando a filtrar eso antes de que llegue a su chip.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

No está evitando que el ruido llegue a su chip como lo haría un pequeño filtro PI, está ayudando a que su chip no haga ruido :) Usted tiene un chip y él va a tener demandas dinámicas de corriente que están cambiando con el tiempo. En otras palabras, a medida que su chip hace lo suyo, extrae potencia a diferentes frecuencias para decir que cambie sus transistores.

Ahora, en un mundo ideal, tendría una fuente de alimentación ideal sin impedancia entre este y su chip. Su chip podría extraer tanta corriente como quisiera a la frecuencia que quisiera y parte de mi trabajo sería mucho más fácil;)

En verdad, hay componentes parásitos, particularmente la inductancia parásita que limitará la cantidad de corriente que puede extraer a una frecuencia particular con una caída de voltaje dada. La impedancia de esos inductores parásitos aumenta con la frecuencia, por lo que en algún momento no podrá extraer ninguna cantidad significativa de corriente. Su chip probablemente quiera estar en algún rango, digamos 1.8V +/- 0.5%, ha sido diseñado y agotado para funcionar en ese rango. Si no proporciona la ruta de baja impedancia adecuada para todas sus necesidades, puede terminar cayendo el voltaje fuera de ese rango, por ejemplo, lo que podría conducir a un funcionamiento no deseado.

Aquí hay una buena imagen de una red de distribución de energía de Altera. Incluye el regulador de voltaje y la impedancia de la fuente, las tapas de desacoplamiento y algunos paquetes parásitos.

Si acaba de salir y diseñó una placa sin tapas de desacoplamiento, cada vez que necesitara corriente, tendría que pasar por esa conexión de muy alta impedancia desde su chip hasta el regulador y, con suerte, su volumen condensadores Eso funcionará bien para baja frecuencia, pero a medida que su frecuencia aumente, esa inductancia parásita significa que la impedancia entre usted y su fuente de alimentación también aumentará. Usted sabe por la ley de ohmios que si mantiene constante el flujo de corriente, pero aumenta la resistencia (impedancia en nuestro caso), entonces la caída de voltaje a través de esa impedancia también debe aumentar. Para combatir esto y reducir la impedancia del pdn, utilizamos condensadores de desacoplamiento. En un PDN llamamos a este rizado de voltaje,

Como ejemplo, veamos una frecuencia, digamos 100MHz. Entonces, digamos que no usaste ningún desacoplamiento y decidiste dibujar 1 Amp a 100MHz. Pero la impedancia de la fuente de alimentación a través de la inductancia de los aviones, y tal vez las tapas masivas, al chip es de 1 Ohm a 100MHz. Eso significa que obtendrá una caída de voltaje de 1V a través de esa impedancia. Si tuviera una fuente de alimentación que comenzara a 1.8V y se redujera a 0.8V cuando su chip lo necesitara, estaría en problemas.

Ahora piense en el mismo escenario después de haber agregado un montón de tapas de desacoplamiento, esto reduce la impedancia de la red de suministro de energía hasta decir 0.05 ohmios. Ahora, para ese mismo sorteo de 1A, solo ve una caída de voltaje de 50mV que es un número mucho más tolerable.

Puede ver en la imagen a continuación los dos escenarios diferentes de una simple simulación de especias de lo anterior. El verde es la impedancia para la placa sin condensadores, y el azul es después de que se hayan agregado varios condensadores de desacoplamiento de valores diferentes.

En realidad, se vuelve felizmente más complicado que eso desde aquí, no solo estás tomando corriente a 100MHz sino un rango de frecuencias, y a menudo no sabes cuáles son del proveedor de chips. En su lugar, diseña para un rango de valores esperados. Altera tiene un buen documento que lo explica con más detalle y hay muchos libros sobre él.

Espero que eso ayude un poco, creo que puede ver por lo anterior que agregar más impedancia a sus condensadores los haría menos efectivos (bueno, hay algunos argumentos sobre la amortiguación ...). De hecho, si observa de cerca la imagen de Altera, verá los inductores y resistores parásitos que forman parte de cualquier condensador del mundo real y su montaje. Las personas que diseñan tableros de alta velocidad donde el desacoplamiento comienza a ser realmente importante pasan mucho tiempo minimizando aquellos en el diseño y seleccionando componentes que tienen los valores parásitos más bajos.

Básicamente tienes razón. Se necesita un condensador de desacoplamiento porque

• la traza desde la fuente de energía hasta el chip consumidor se comporta como un inductor
• la fuente de energía en sí no es infinitamente rápida, se comporta más o menos como una fuente de energía ideal con un inductor de serie pequeña

el (los) capcitor (es) de desacoplamiento y estas inductancias forman un filtro de paso bajo / bloqueo alto. O para decirlo de otra manera, estabilizan el voltaje que recibe el chip consumidor.

No solo trazas de cobre, todas las resistencias parásitas: impedancia de entrada del sumidero de corriente, impedancia de salida de la fuente, etc. (depende de las frecuencias que esté estudiando)

En realidad, mirando a un sistema perfecto, la resistencia en serie en sí es cero. Por lo tanto, los voltajes de CC no se transfieren, mientras que los voltajes de CA se transmiten perfectamente (como un cortocircuito). No es como un filtro estándar donde calcula una frecuencia, se trata más bien de desacoplar su sistema de la parte de CC de la fuente. Y en el filtro de paso alto normal, tiene una resistencia que se conecta a tierra y no a resistencias en serie.

Esto no se usa para filtrar una frecuencia determinada, se usa para transmitir solo la señal (parte CA). Es por eso que se llama condensador de desacoplamiento.