Diferencia: ¿Filtro de paso bajo y condensador grande?

Al trabajar con microcontroladores, se recomienda colocar condensadores de filtro / desacoplamiento entre un pin de suministro y tierra. Entiendo el propósito de esta implementación, a saber, que el voltaje a través de un capacitor no puede cambiar instantáneamente, pero ¿cuáles son las diferencias sobresalientes entre un capacitor singular y un filtro de paso bajo?

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

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Por ejemplo, si quisiera proporcionarle a mi voltaje de referencia ADC un suministro limpio para comparar los voltajes de entrada, podría realizar un filtro de paso bajo para rechazar las fluctuaciones de alta frecuencia o simplemente insertar un condensador de tamaño adecuado.

Mi pensamiento inmediato es que la demanda de corriente inicial de un condensador singular podría exceder momentáneamente la clasificación máxima de la MCU, pero con una resistencia esta corriente sería limitada. ¿No sería que con un LPF (con una resistencia) se podría diseñar de manera tal que la impedancia de salida del filtro sea infinita para no cargar el ADC? Del mismo modo, un condensador solo proporcionaría suficiente filtrado de voltaje, pero ¿no resultaría en una baja impedancia de salida?

¿Cuáles son los pros y los contras de cada realización de filtrado y cuándo debe usar un diseñador uno u otro?

¿Alguna otra idea?

La tapa cerca del pin de alimentación no es para proteger la parte del ruido, sino para evitar que la parte genere ruido ya que la conmutación lógica provoca cambios rápidos en la corriente de suministro. Idealmente, el límite proporcionaría demandas instantáneas de más corriente sin aumentar la corriente hasta la fuente de energía.

La suma de las impedancias en el lado de la fuente de alimentación del circuito (la impedancia interna de la fuente de alimentación más la inductancia, resistencia y capacitancia de las trazas o planos) es suficiente para proporcionar un filtrado de paso bajo en el lado de entrada de la tapa. Pienso en el límite como una pequeña fuente de alimentación que puede responder a las demandas con un ancho de banda en el rango de múltiples MHz. Los reguladores más grandes que suministran un circuito completo reaccionan demasiado lentamente y la tapa es una fuente temporal de energía que reemplaza o evita (o desacopla) la fuente de alimentación. Colocar la tapa cerca del pin de alimentación en un chip minimiza la resistencia y la inductancia que ralentizarían la respuesta.

Las piezas CMOS consumen la mayor parte de su energía mientras cambian de estado. Para los microprocesadores, esto significa en los bordes del reloj y el consumo de corriente está en pequeños picos rápidos. El tamaño de los picos varía tan rápido como el reloj, ya que cada instrucción utiliza diferentes combinaciones de circuitos internos. Imagine la circuitería utilizada en la comprobación de un registro de cero frente a la obtención de datos de la RAM. La potencia necesaria fluctúa a la velocidad del reloj. Cuanto mayores sean los cambios actuales, mayor será el límite. Calcular el tamaño correcto es una cuestión de estimación para la mayoría de nosotros y la tapa de cerámica de 0.1uF es tan común que tiene un costo muy bajo. La construcción de condensadores también es una preocupación, así como el cambio con la temperatura. Algunos pueden responder más rápido que otros y algunos varían en un 80% sobre el rango de temperatura comercial.

También se denominan tapas de derivación porque: 1) Pueden "desviar" (corto) ruido de PSU de alta frecuencia a tierra. 2) Pueden "puentear" la fuente de alimentación y responder a las demandas de alta frecuencia de energía.

También se llama "tapas de desacoplamiento", un término más preciso para las frecuencias altas, ya que "desacoplan" la demanda de energía entre la parte y la fuente de alimentación.

La respuesta corta:

Un condensador solo es bueno para suministrar energía cuando el consumo de energía de la MCU cambia rápidamente. El filtro RC se usa para bloquear señales de alta frecuencia no deseadas.

La muuucha respuesta:

Los dos circuitos diferentes se utilizan para diferentes propósitos. Como ha dicho, el voltaje a través de un condensador no puede cambiar instantáneamente.

Estoy seguro de que lo sabes

1. Una MCU requiere un voltaje mínimo para funcionar
2. Una MCU requiere una cantidad variable de energía durante la operación

Como la potencia es igual a la tensión * corriente (P = VI) y la tensión debe ser constante, cualquier cambio en la potencia se manifiesta como un cambio en la corriente.

Para un diseño hipotético con un regulador de voltaje y una MCU:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Digamos que eliminamos C2:

^{simular este circuito}

(Perdón por los diversos esquemas, no he configurado una cuenta para ese sitio esquemático y necesito seguir redibujándolo)

Si el regulador de voltaje que suministra la energía a la MCU fuera perfecto y no hubiera inductancia parasitaria o resistencia de traza, la MCU consumiría una cantidad variable de corriente y el regulador no bajaría ni aumentaría su voltaje. Desafortunadamente en el mundo real, una placa de circuito se parece más a esto:

^{simular este circuito}

(Nota rápida: en este contexto, un inductor puede pensarse en una resistencia a alta frecuencia)

Debido a la inductancia parasitaria de la placa, la resistencia de rastreo y el hecho de que los reguladores no pueden responder a los cambios de consumo de corriente instantáneamente, el voltaje caerá y aumentará a medida que la MCU extraiga más o menos corriente respectivamente.

Como referencia aquí hay un gráfico de una hoja de datos LM7805

ST 7805

Esto muestra el tiempo de respuesta finito del voltaje de salida regulado LM7805 (el triángulo se hunde y sube en la línea inferior) a medida que la carga aumenta y disminuye. Si el regulador fuera perfecto, entonces la 'Desviación de Voltaje' no subiría o bajaría cuando haya un aumento o disminución relativamente rápido en la corriente.

Entiendo que los inductores pueden ser un poco confusos al principio, por lo que, por simplicidad, puede reemplazar el inductor en el esquema anterior con una resistencia y agregar las dos resistencias juntas y tiene una resistencia entre su regulador y MCU. Esto es malo porque V = IR y cuanto más corriente consuma la MCU, más se verá una caída de voltaje a través de la resistencia. (Explicaré más sobre lo que hacen estas resistencias a continuación cuando hable sobre los filtros RC.

De vuelta al diseño original. El condensador de derivación se coloca lo más cerca posible de la MCU para que todas las inductancias y resistencias encontradas en una placa de circuito y el hecho de que un regulador no pueda responder instantáneamente no afecte el nivel de voltaje en la MCU.

Para su segundo circuito (RC)

^{simular este circuito}

La razón por la que no se debe agregar una resistencia para evitar una MCU es porque el voltaje a través de una resistencia es relativo a la corriente que se atraviesa. Esto es importante porque si una MCU funciona a 5 V y consume 10 mA en reposo (funciona sin hacer nada), entonces hay una caída de voltaje a través de esa resistencia de:

R * 10mA = Vdrop

Entonces, si tuviera una resistencia de 50 ohmios, caería .5V, esto podría restablecer su MCU.

Un filtro de paso bajo como el filtro RC que dibujó allí no es bueno para suministrar energía, pero es útil para filtrar componentes de alta frecuencia de una señal.

Esto es ideal para señales que se leen con un ADC porque un ADC solo puede muestrear a una velocidad específica, por lo que si una señal está cambiando a una velocidad mayor que las señales de alta frecuencia (realmente la mitad de la velocidad debido al teorema de Nyquist ) aparecerá como ruido aleatorio, por lo que es bueno eliminarlo con un filtro RC.

Como ejemplo, digamos que tiene un ADC que muestrea a una velocidad de 10Khz

y desea leer un sensor analógico que solo cambia a una velocidad de 1KHz, entonces puede configurar su filtro RC para filtrar señales mayores a 5Khz (probablemente no quiera comenzar a filtrar a 1Khz porque un filtro RC tiene un pequeño cantidad de atenuación por debajo de la frecuencia a la que está diseñada para filtrar.

Entonces, para diseñar un filtro RC para lograr esto, puede usar una resistencia de:

330 ohmios y una capacitancia de .1uF

Aquí hay una gran calculadora si necesita resolver esto para cualquier otra frecuencia:

Impresionante calculadora RC

Espero haber seguido el tema lo suficiente como para responder a su pregunta.

La diferencia es que colocar solo el condensador depende tanto de la impedancia de la fuente de alimentación como de la impedancia de suministro del chip para formar el resto del filtro de paso bajo. Es decir, ambas instancias crean un LPF, la resistencia explícita es simplemente para ajustarlo.

Tienes razón. Esta es una técnica de desacoplamiento, y tenemos que seguir las sugerencias de los fabricantes. El desacoplamiento típico consiste en:

-> Un condensador electrolítico grande (10 ~ 100μF) a no más de 5 cm del chip. El objetivo de este condensador es suministrar "localmente" los requisitos de corriente instantánea, evitando tomar esta energía del camino de alimentación principal y su impedancia. o Este es un condensador de baja ESR. -> Un condensador más pequeño (0.01 μF - 0.1 μF) más cerca de los pines de alimentación del IC como sea posible, para expulsar los componentes de HF del IC. Ambos condensadores deben estar conectados a una gran área de tierra en PCB para inductancia mínima. -> Un lecho de ferrita en serie con un pin Vcc de IC, para reducir la EMI desde y hacia este IC.

Como puede juzgar, las anteriores son técnicas generales para IC lineal y digital. Pero el filtro RC que está dibujando, está dedicado para el desacoplamiento digital IC. Los cambios en el estado de las puertas digitales hacen que el voltaje de PS fluctúe debido a la impedancia de las trazas. El ruido de alta frecuencia se puede minimizar utilizando topologías RC o LC. En el filtro LC, el ruido aparece a través de la bobina en lugar de en el chip o pasando en el circuito de alimentación. Proporciona un filtrado muy eficiente pero tiene una frecuencia de resonancia que puede irradiar EMI. Se puede usar un lecho de ferrita en lugar del inductor.

El filtro RC que mencionas, convierte el ruido en calor y, como tal, se disipa. Con es que la resistencia introduce una caída de voltaje en el voltaje suministrado. Por otro lado, el filtro RC es menos costoso. Algunas veces puede encontrar una resistencia a la herida de alambre en lugar de inductor

Lo anterior está recomendado por Silicon Labs y Analog Devices

el filtro de paso bajo se usa para bloquear señales de alta frecuencia y ruido por encima de una frecuencia particular. La resonancia ocurre a esa frecuencia particular. Todas las señales por encima de la frecuencia de resonancia estarán conectadas a tierra y sobre el condensador singular que usted describió igual.

El filtro RC se utiliza en lugar del filtro LC para fines económicos.