Конденсатор на землю для чего

Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки

Полное понимание конденсаторов развязки (блокировочных конденсаторов) поможет вам правильно включать эти критически важные компоненты в ваши проекты.

Конденсаторы, конденсаторы везде

Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.

Опасности переходного тока

Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.

Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.

Схема моделирования Временные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питания

Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).

Пульсации напряжения питания

Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!

На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.

Пульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источника

Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.

Пульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времени

Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.

Решение

Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.

Во-первых, короткая заметка о терминологии. Компоненты, обсуждаемые в данной статье, регулярно упоминаются и как «блокировочные конденсаторы», и как «конденсаторы развязки». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть схемы влияет на другую, а «блокирование» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли. Оба термина могут быть правильно использоваться, поскольку блокировочный конденсатор / конденсатор развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается термину «блокировочный конденсатор», чтобы избежать путаницы с последовательным конденсатором развязки, используемым для блокирования постоянной составляющей сигнала.

Заряд и разряд

Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.

Схема моделирования Временная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряжения

Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.

Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.

Стандартный подход

Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.

Классическая схема блокировки пульсаций напряжения питания

Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.

Если мы включим эти блокировочные конденсаторы в схему моделирования с 8-ю инверторами, рассмотренную выше, звон будет устранен, а величина возмущений напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ.

Временная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторов

Идеал и реальность

На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.

Результаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторов

Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.

Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.

Источник

Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Рис. 65. Цепь питания V+ без надлежащего развязывающего конденсатора имеет высокий импеданс

Мы часто думаем о внешних шумах, идущих от источника питания и мешающих усилителю. Но операционные усилители могут сами быть источником проблем. Например, выходной ток нагрузки течет от вывода питания. Без надлежащего развязывающего конденсатора импеданс на входе питания может быть высоким. Это позволяет переменному току нагрузки (AC) генерировать переменное напряжение на этом выводе и создает паразитный контур цепи обратной связи. Индуктивность вывода питания может дополнительно увеличить результирующее переменное напряжение. На высокой частоте, когда коэффициент подавления помех по питанию имеет малое значение, эта паразитная обратная связь может вызвать осцилляции.

Без обеспечения стабильного питания узлы внутренней схемы могут взаимодействовать друг с другом, создавая нежелательные паразитные контуры обратной связи. Это происходит из-за того, что внутренние схемы ОУ спроектированы для работы с устойчивым малым значением импеданса на входах питания. Усилитель может вести себя совершенно непредсказуемо без стабильного и низкоомного питания.

При подаче синусоидального сигнала на вход усилителя с недостаточно качественной развязкой на цепях питания паразитная обратная связь приводит к искажению формы выходного сигнала. Сигнальные токи, протекающие через выводы питания, зачастую сильно искажены, поскольку они представляют только половину тока синусоидальной волны (рисунок 66). Цепи паразитной ОС вызовут дополнительное искажение выходного сигнала при различных значениях коэффициента подавления помех по положительному и отрицательному питаниям.

Рис. 66. Форма сигнальных токов на выводах питания зачастую сильно искажена, потому что они представляют только половину синусоидального тока (справа)

Проблемы усугубляются при увеличении нагрузки. Реактивная нагрузка создает сдвинутые по фазе токи, которые могут дополнительно ухудшить ситуацию. Емкостная нагрузка сама по себе подвергает схему более высокому риску возникновения колебаний из-за дополнительного фазового сдвига в цепи обратной связи. Для таких случаев могут потребоваться танталовые развязывающие конденсаторы большой емкости и особая осторожность при выполнении электрической разводки схемы.

Конечно, не все усилители с недостаточной развязкой по питанию подвержены осцилляциям. Иногда для установления колебаний не хватает положительной обратной связи или задержки, вносимой цепями ОС. Тем не менее, эффективность схемы может быть снижена. Частотная характеристика и импульсный отклик также подвержены влиянию чрезмерного перерегулирования и плохого времени установления. Эти особенности не очень хорошо моделируются в TINA-TI или других программах SPICE-моделирования. Источники напряжения в SPICE абсолютно стабильные и нечувствительны к токам нагрузки. Моделирование фактического импеданса источника питания и паразитных параметров печатной платы оказывается весьма сложным и неточным процессом. В лучших макромоделях моделируется величина коэффициента подавления помех по питанию, но фазовая связь этих цепей обратной связи вряд ли соответствует действительности. Моделирование может быть чрезвычайно полезным, но не всегда точно прогнозирует такое поведение.

Однако, не нужно сходить с ума, думая о развязке цепей питания. Достаточно внимательно относиться к особенно чувствительным ситуациям и признакам потенциальных проблем. Хорошая аналоговая схема выигрывает от приложения хорошей порции знаний.

Список ранее опубликованных глав

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

Источник

Конденсаторы для «чайников»

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости ε_r использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Источник