Sustitución del condensador de aluminio por condensador de tantalio para derivación masiva del acelerómetro

Actualmente estoy trabajando en un diseño que incluye el acelerómetro AIS3624DQ de ST. En la hoja de datos , dice (sección 4, página 17):

"Los condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación (100 nF de cerámica, 10 μF de aluminio) deben colocarse lo más cerca posible del pin 14 del dispositivo (práctica común de diseño)".

¿Puedo reemplazar el aluminio de 10 μF (debido a su gran tamaño) con un condensador de tantalio?

Usted puede reemplazar la electrólisis de aluminio con un tantalio, pero tampoco lo está utilizando una opción mucho mejor.

Hoy en día, la cerámica puede cubrir fácilmente los 10 µF en un rango de 10 voltios. No tiene sentido usar un electrolítico o un tantalio. Tampoco necesita un condensador separado de 100 nF (ese valor es tan de 1980 de todos modos) si usa una cerámica para el valor más grande.

Piense en lo que está sucediendo aquí y lo que la hoja de datos está tratando de decir. Estos dispositivos son conocidos por ser bastante sensibles al ruido de la fuente de alimentación. De hecho, he visto una parte similar amplificarseondulación de la fuente de alimentación a la salida. Por lo tanto, la hoja de datos quiere que coloque una "gran" cantidad de capacitancia en la línea de alimentación del dispositivo. De ahí vino el 10 µF. Cuando se escribió esta hoja de datos, o quien la escribió dejó de mantenerse al día con los desarrollos, 10 µF era una solicitud irrazonablemente grande para cualquier tecnología de condensadores que fuera buena a altas frecuencias. Por lo tanto, sugieren un electrolítico para la capacitancia "a granel" de 10 µF, pero luego colocar una cerámica de 100 nF a través de eso. Esa cerámica tendrá una menor impedancia a altas frecuencias que la electrolítica, a pesar de que tiene una capacidad 100 veces menor.

Incluso en los últimos 15-20 años más o menos, ese 100 nF podría haber sido 1 µF sin ser una carga. El valor común de 100 nF proviene de los antiguos días de hoyos. Ese era el condensador de cerámica barato de mayor tamaño que todavía funcionaba como un condensador a las altas frecuencias requeridas por los chips digitales. Mire las placas de computadora de la década de 1970 y verá un condensador de disco de 100 nF junto a cada uno de los circuitos integrados digitales.

Desafortunadamente, usar 100 nF para derivación de alta frecuencia se ha convertido en una leyenda por sí solo. Sin embargo, los condensadores cerámicos multicapa de 1 µF de hoy en día son baratos y en realidad tienen mejores características que las viejas tapas de 100 nF con plomo del Pleistoceno. Eche un vistazo al gráfico de impedancia versus frecuencia de una familia de tapas de cerámica, y verá que 1 µF tiene una impedancia más baja en casi todas partes en comparación con los 100 nF. Puede haber una pequeña caída en los 100 nF cerca de su punto de resonancia, donde tiene una impedancia menor que 1 µF, pero será pequeño y no muy relevante.

Entonces, la respuesta a su pregunta es usar una sola cerámica de 10 µF. Asegúrese de que lo que use todavía sea de 10 µF o más con el voltaje de alimentación que está usando. Algunos tipos de cerámica disminuyen en capacitancia con el voltaje aplicado. En realidad, hoy puede usar una cerámica de 15 o 20 µF y tener mejores características en todos los ámbitos en comparación con la cerámica de 100 nF y el electrolítico de 10 µF recomendados por la hoja de datos.

Contrariamente a la respuesta de Olin Lathrop, los condensadores de cerámica no son la solución a todos los problemas de derivación a nivel de placa. Incluso es posible que la elección de solo condensadores cerámicos sea perjudicial para el rendimiento de un diseño.

Un hecho importante sobre ciertas formulaciones dieléctricas cerámicas es que exhiben un comportamiento piezoeléctrico: pueden convertir energía mecánica a / de energía eléctrica. Para un acelerómetro, este comportamiento microfónico puede acoplar una vibración de 100s Hz a la fuente de alimentación del dispositivo. Esta vibración está exactamente en la banda de frecuencia de interés porque es lo que mide el acelerómetro, lo que significa que no se puede filtrar digitalmente.

Los condensadores de cerámica también tienen una pérdida característica de capacitancia con polarización de CC aplicada. Por ejemplo, la capacidad frente a la curva de polarización de CC del dispositivo Murata GRM188R61A106KAAL # es:

De la tabla interactiva, en la entrada de operación típica de 3.3V, este capacitor específico solo tiene una capacitancia efectiva de 5.337uF, una pérdida de casi el 50% de la capacitancia nominal en menos de la mitad de la polarización de CC nominal. Si bien la capacidad en masa de esta aplicación no requiere un valor específico, esto puede ser un "problema" para aplicaciones con un requisito de capacidad mínima.

Además, la ESR de los condensadores electrolíticos de aluminio y de tantalio puede ser ventajosa . Debido a que hace que el condensador pierda, amortiguará las oscilaciones y puede ayudar a limitar los picos de transitorios. Linear Technology tiene una nota de aplicación que describe los riesgos de usar solo condensadores cerámicos en las entradas de la fuente de alimentación de conexión en caliente. Además, algunas fuentes de alimentación tienen requisitos ESR de capacitancia de derivación de salida, como se explica en esta nota de aplicación de TI. Para usar condensadores cerámicos de ESR muy bajo, en realidad es necesario derrotar su ESR bajo instalando una resistencia de 10 s de miliohm en serie con el condensador.

El condensador de aluminio parece ser un dispositivo de derivación masiva .

Los tantalios generalmente tienen una ESR más baja que los dispositivos de aluminio, pero eso no debería ser importante aquí ya que el dispositivo de cerámica tendrá una ESR baja de todos modos.

Por lo tanto, debe estar bien usando un dispositivo de tantalio en lugar del electrolítico de aluminio.

Asegúrese de utilizar un dispositivo con una capacidad nominal de al menos 2 Vcc.

Ya hay algunas buenas respuestas (solo use MLCC), pero agregaría que para el desacoplamiento de alta frecuencia debe usar capas estrechamente acopladas (es decir, sin núcleo entre ellas) de voltaje de suministro y tierra. Haga que su área de superposición sea tan grande como sea conveniente y coloque múltiples vías lo más cerca posible de los pines de alimentación / tierra del circuito integrado. Esta es la mejor manera de obtener un desacoplamiento de alta frecuencia. Luego coloque sus condensadores MLCC tan cerca de esas vías como sea razonablemente posible. Evite valores de condensadores múltiples y, en su lugar, utilícelos con condensadores idénticos múltiples si uno no es suficiente. El riesgo de usar, por ejemplo, 10n, 100n, 1u en paralelo son los picos de impedancia resonante.

Esto anterior le dará la impedancia total más baja para su desacoplamiento.

Además, debe evitar las cuentas de ferrita para los circuitos integrados digitales, pero esto está implícito en lo anterior.