Systemrauschen ist heutzutage ein häufiges Problem bei allen digitalen Geräten. Der anhaltende Trend zu schnelleren Schnittstellen und geringerem Stromverbrauch hat dazu geführt, dass Geräte zunehmend anfälliger gegenüber Störungen durch Strom- und Signalleitungen sind.
Glücklicherweise kann dieses Rauschen durch die Verwendung einer Entkopplung verringert werden, um lokale Schaltkreise von anderen Schaltkreisen in einem System zu isolieren.
Was ist ein Entkopplungskondensator?
Entkopplungskondensatoren helfen dabei, lokale Schaltkreise von Rauschen und Leistungsanomalien anderer Geräte in gemeinsam genutzten Strom-, Erdungs- und anderen Netzen zu isolieren oder zu entkoppeln. Sie werden typischerweise auf Stromquellen angewendet, um eine lokalisierte Quelle für Momentanstrom bereitzustellen und den lokalen Schaltkreis von Stromstörungen in anderen Bereichen des Designs zu isolieren.
Dieser lokalisierte Zugriff ist notwendig, da alle Stromverteilungssysteme eine reale Impedanz und Induktanz aufweisen, die eine wirklich sofortige Stromversorgung verhindern. Bei großen geschalteten Lasten kann die Stromaufnahme zu Spannungseinbrüchen und Schwingungen führen, was wiederum die erforderlichen Spannungsbedingungen des Stromkreises verletzen oder zu inkorrekten Signalen führen kann.
Bypass-Kondensator vs. Entkopplungskondensator
Bei der Diskussion von Entkopplungskondensatoren ist es wichtig, die Unterschiede zwischen Entkopplungskondensatoren und Bypass- und Kopplungskondensatoren zu verstehen.
Bypass-Kondensatoren werden verwendet, um einen Shunt mit niedriger Impedanz für hochfrequentes Rauschen auf hochohmigen Pfaden bereitzustellen. In vielen Fällen werden sie auch als Entkopplungskondensatoren bezeichnet, da sie dazu beitragen, dass höherfrequentes Rauschen minimiert wird, bevor es sich auf andere Teile der Schaltung ausbreiten kann, wo es zu Schaltungsstörungen oder Problemen bei der Eindämmung von durch das Design erzeugten elektromagnetischen Störungen führen könnte.
Kopplungskondensatoren sorgen hingegen für eine Gleichstromisolation und gleichzeitig für einen gezielten Pfad für Audio-, Video-, RF- und digitale Hochgeschwindigkeitsdaten. An Hochgeschwindigkeitsschnittstellen sind häufig Kopplungskondensatoren zu finden, um sicherzustellen, dass sich etwaige Gleichspannungspotentialunterschiede an angeschlossenen Geräten nicht als Erdströme zwischen den Geräten niederschlagen.
Wie funktionieren Entkopplungskondensatoren?
Entkopplungskondensatoren werden verwendet, um Störungen aus vielen verschiedenen Quellen entgegenzuwirken. Synchron geschaltete Logik- und Datenbusse können große, momentane Stromflüsse verursachen, die dem lokalen Stromversorgungssystem (PDS) erhebliche Ladung entziehen. Wenn diese momentanen Belastungen auftreten, verhindert die Induktivität im PDS, dass die Stromversorgung im Design sofort zusätzlichen Strom an die Last liefert, und dies kann zu einem Abfall oder einer Schwankung der lokalen Versorgungsspannung führen.
Entkopplungskondensatoren helfen dabei, eine lokale, sofortige Ladungsquelle bereitzustellen, die ein Einbrechen der Spannungsquelle verhindert, und einen Bypass-Pfad, der das Klingeln dämpft. Auch das Rauschen auf dem PDS wird lokal gedämpft, sodass der lokale Schaltkreis nicht durch Welligkeit auf der Stromversorgungsebene beeinträchtigt wird, die den Schaltkreis sonst stören könnte. Dieser Effekt erstreckt sich auch auf das Rauschen aus anderen Teilen des Designs, wenn dort eine plötzliche Stromaufnahme auftreten sollte. Ihre eigenen Entkopplungskondensatoren sorgen nicht nur für die lokale Stabilisierung der Spannungsversorgung, sondern bei einer Reststörung anderer Teile des Designs wird diese durch die lokale Entkopplung in diesem Teil des Schaltkreises zusätzlich reduziert. Und schließlich helfen Bypass-Kondensatoren, die zur Entkopplung eingesetzt werden, dabei, Hochfrequenz-Rücklaufpfade zu überbrücken und zu verhindern, dass diese zwischen Schaltkreisbereichen fließen und möglicherweise Fehlfunktionen des Schaltkreises oder EMI-Probleme auf Systemebene verursachen. Erfahren Sie mehr über die Bypass-Kapazität und dazu, warum sie wichtig ist.
Leitfaden zur Auswahl von Entkopplungskondensatoren
Obwohl jeder Entkopplungskondensator besser ist als keiner, gibt es bei der Implementierung eines Entkopplungsschemas einige Richtlinien zu beachten. Da die Kondensatoren sehr schnell Strom liefern müssen, besteht der erste und wichtigste Aspekt darin, Kondensatoren mit niedrigem gleichwertigem Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR) auszuwählen, was die charakteristische Impedanz mit der im Zusammenhang mit der Induktanz stehenden Impedanz summiert. Keramikkondensatoren werden aufgrund ihrer großen Temperaturtoleranz, ihrer Fähigkeit, großen Spannungsbereichen standzuhalten, ihres niedrigen ESR, ihrer Stabilität und Zuverlässigkeit typischerweise für Entkopplungsanwendungen verwendet. Allerdings ist die Konstruktion des Kondensators ebenso wichtig wie die Größe des Gehäuses, da die inhärenten Vorteile der Kondensatorchemie durch die zusätzliche Induktivität eines größeren Gehäuses schnell zunichte gemacht werden können.
Das kleinste verfügbare Paket, das ansonsten die Designparameter erfüllt, ist oft die beste Wahl, obwohl möglicherweise spezielle Bypass- und Entkopplungskondensatorpakete verfügbar sind, die die Induktivität weiter reduzieren. Kleinere Pakete haben außerdem den Vorteil, dass die Schleifengröße für die Kondensatorschaltung reduziert wird, wodurch die Induktivität jedes Entkopplungskondensators weiter minimiert wird.
Verbesserung von Kondensatoren zwischen Stromversorgung und Masse
Weitere Möglichkeiten zur Optimierung der Funktionalität von Entkopplungskondensatoren bestehen darin, sicherzustellen, dass die Strom- und Masseflächen durchgängig und benachbart sind. Dies geschieht, indem die Kondensatoren möglichst nah an den Strom- und Masseanschlüssen der ICs montiert werden, indem die Leiterbahnen zu den Masse- und Stromflächen möglichst kurz gehalten werden und indem sichergestellt wird, dass die Durchkontaktierungen zwischen oder neben den Pads des Kondensators verlaufen. Benachbarte Strom- und Masseflächen sollten im Design symmetrisch platziert werden und die Anzahl der Schichten zwischen den Flächen und den Entkopplungskondensatoren sollte minimiert werden. Kondensatoren sollten nach Möglichkeit auch im Bereich der Entkopplung verteilt werden. Wenn dies nicht möglich ist und eine Kondensatorbank verwendet wird, ist es am besten, ihre Ausrichtung abzuwechseln, um ihre Verbindungspunkte zu verteilen und effektive Spaltungen in der Masse- oder Stromversorgungsebene durch mehrere benachbarte, durch die Ebene geführte Durchkontaktierungen zu verhindern. Die Anzahl der zu verwendenden Kondensatoren hängt in erster Linie von der Anzahl der in einem lokalisierten Schaltungsbereich oder IC vorhandenen Strom- und Masseanschlüsse sowie von der Anzahl der vorhandenen E/A-Signale ab. Designs mit analogen und digitalen Abschnitten können Entkopplung und Bypass für Segmente eines Schaltkreises oder eines ICs erfordern.
Bei modernen digitalen Geräten kann es eine große Herausforderung sein, bei Vorhandensein von geschalteten Lasten und anderen Quellen von Systemrauschen eine stabile und leise Stromversorgung aufrechtzuerhalten. Durch den richtigen Einsatz von Leistungskondensatoren und Bypass-Kondensatoren in einem integrierten Entkopplungsschema können Entwickler sicherstellen, dass Probleme im Zusammenhang mit systeminternem Leistungsrauschen und anderen Rauschquellen angemessen gemildert werden und ihre Produkte wie vorgesehen funktionieren.
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