1. CORRIENTES DE CONMUTACIÓN LÓGICA

No es ningún secreto que al cambiar los estados lógicos, la mayoría de los dispositivos digitales experimentan un gran aumento de corriente, que sigue inmediatamente después del flanco de la señal del reloj (Fig. 1).

Por ejemplo, un circuito que funciona a 100 MHz y consume un promedio de aproximadamente 4 A puede en realidad requerir 20 A de corriente durante los primeros nanosegundos de la secuencia del reloj. (El motivo de la aparición de grandes corrientes al cambiar los estados lógicos se analiza en el artículo de B. Carter, "Printed Circuit Board Layout Technique", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - nota del traductor).

Obviamente, alimentar este circuito desde una fuente de 20 amperios aumentará el tamaño y el costo del producto. De manera menos obvia, las inductancias en serie parásitas en cables de conexión, trazas de PCB y cables de componentes pueden hacer imposible que una fuente de alimentación de alta potencia responda rápidamente a cambios instantáneos en la corriente. Por otro lado, una capacidad de carga insuficiente de la fuente provocará caídas de tensión inestables en los buses de potencia y de tierra. Este fenómeno suele manifestarse como ruido de alta frecuencia.

2. USO DE CONDENSADORES COMO ELEMENTOS DE AISLAMIENTO DE POTENCIA

El uso de condensadores de desacoplamiento permite distribuir la corriente operativa entre consumidores utilizando rutas de corriente de baja impedancia (es decir, baja inductancia para corrientes de RF). En la práctica, esto significa que los condensadores de desacoplamiento sirven directamente a los componentes digitales mientras la fuente de alimentación los recarga. La clave para crear un circuito de desacoplamiento viable y exitoso es la selección correcta de los condensadores utilizados y el cableado correcto de sus circuitos de conexión.

El uso de condensadores como elementos de desacoplamiento requiere una comprensión de los conceptos básicos de su funcionamiento. La Figura 2a muestra un condensador ideal: una capacidad para acumular y almacenar carga y liberarla. La Figura 3 muestra la dependencia de la frecuencia de la impedancia de un condensador ideal: una disminución monótona del valor al aumentar la frecuencia. Dado que la mayor parte del ruido en los sistemas digitales es ruido de alta frecuencia (>50 MHz), reducir la impedancia en altas frecuencias es muy adecuado para el desacoplamiento de potencia.

Desafortunadamente, el comportamiento de un condensador real no es tan sencillo; su modelo se muestra en la Figura 2b. La estructura física de un condensador real incluye resistencia en serie equivalente (ESR) e inductancia en serie equivalente (ESL). Además, un condensador real tiene resistencia a las fugas. La suma de estos efectos parásitos conduce a un cambio en la naturaleza de la dependencia de la impedancia con la frecuencia (Fig. 3).

El punto más bajo de la relación de impedancia se conoce como frecuencia de autorresonancia. Los diseñadores a menudo intentan seleccionar condensadores con una frecuencia de resonancia natural cercana a la frecuencia de funcionamiento del sistema. Sin embargo, los parámetros de los condensadores reales hacen que esta selección no sea práctica a frecuencias de reloj superiores a 100 MHz. Una regla importante para recordar: Los condensadores de derivación se pueden utilizar a frecuencias inferiores a su propia frecuencia de resonancia siempre que su impedancia a estas frecuencias permanezca lo suficientemente baja..

La caída de voltaje a través de la resistencia en serie equivalente de un capacitor es proporcional a la corriente que fluye a través de él. Dado que es importante mantener una tensión de alimentación estable, es deseable utilizar condensadores con ESR bajo (es decir, menos de 200 mOhm) en los circuitos de desacoplamiento. La inductancia en serie equivalente determina qué tan rápido responde el capacitor a los cambios en la corriente; los capacitores con un valor ESL más bajo responderán más rápidamente a los cambios en el flujo de corriente, lo cual es muy importante para los circuitos de desacoplamiento de alta frecuencia. Aunque la VSG se describe y estudia más ampliamente como parámetro, el ESL es quizás más importante. Todos los condensadores de montaje en superficie enumerados en la Tabla 1 tienen valores de ESL bastante bajos.

Tamaño estándar	ESL min (nH)	ESL máx. (nH)
0402	0,54	1,90
0603	0,54	1,95
0805	0,70	1,94
1206	1,37	2,26
1210	0,61	1,55
1812	0,91	2,25
con conductores radiales	6,0	15,0
con guías axiales	12,0	20,0

Los condensadores con material tipo I como dieléctrico no degradan sus características con el tiempo y la temperatura, pero el bajo valor de la constante dieléctrica hace ineficaz su uso como componentes de desacoplamiento. Los condensadores con material Tipo II (es decir, X7R) son una mejor opción debido a su buena estabilidad a largo plazo (pérdida del 10 % en 10 años), características de temperatura y alta constante dieléctrica. El material tipo III tiene la constante dieléctrica más alta y un rendimiento de temperatura deficiente (pérdidas del 50 al 75 % cuando se opera a temperaturas extremas) y estabilidad deficiente a largo plazo (pérdidas del 20 % en 10 años). Entre los dieléctricos populares, las cerámicas multicapa y los sintéticos tienen una inductancia y resistencia en serie equivalentes pequeñas. Los condensadores cerámicos son más fáciles de conseguir. Los condensadores de tantalio se utilizan a menudo como desacopladores generales de baja frecuencia, pero no son adecuados para el desacoplamiento local.

La Tabla 1 muestra valores típicos de ESL para varios tipos de carcasas de condensadores. El tamaño es el elemento determinante de la inductancia en serie equivalente; normalmente, un condensador más pequeño tendrá un valor ESL más bajo para el mismo valor de capacitancia. Los condensadores con valores ESL elevados no son adecuados para su uso como elementos de desacoplamiento.

En general, la estrategia correcta es buscar un capacitor con la mayor capacitancia y las dimensiones más pequeñas (esto solo es cierto desde el punto de vista ESL, pero no siempre es correcto desde el punto de vista de otro parámetro importante de los capacitores: el dieléctrico). absorción - nota del traductor). Sin embargo, hay que tener cuidado al hacer esta elección. La altura del cuerpo del condensador tiene un efecto bastante significativo en el ESL. Para rangos ESL superpuestos en la Tabla 1, es posible seleccionar un paquete con una huella de PCB más pequeña. Sin embargo, el valor del ESL puede ser grande. Por lo tanto, al elegir un tipo de condensador, es necesario guiarse por los parámetros del fabricante para determinar la mejor opción de compromiso.

3. INDUCTANCIA DEL CONDUCTOR

Al cablear componentes y circuitos, el principal obstáculo para un buen desacoplamiento es la inductancia. Con aproximaciones muy aproximadas, podemos suponer que la inductancia de un camino con una impedancia característica de 50 ohmios en el material FR-4 será de aproximadamente 9 pH por cada 0,025 mm de longitud. La inductancia de una única vía es de aproximadamente 500 pH y depende de la configuración geométrica.

La inductancia es proporcional a la longitud, por lo que es importante minimizar la longitud del conductor entre los terminales del componente y el condensador de desacoplamiento. La inductancia es inversamente proporcional al ancho de la pista, por lo que son preferibles los conductores anchos a los estrechos.

Recuerde que la ruta actual es siempre un bucle y este bucle debe minimizarse. Es posible que reducir la distancia entre el cable de alimentación del componente y el cable del condensador no reduzca la inductancia general. ¿Cómo colocar el condensador correctamente? ¿Más cerca del pin de alimentación del componente? ¿O más cerca de la producción de la Tierra? ¿O en el medio entre estas conclusiones? Algunas fuentes recomiendan colocar el condensador cerca del terminal más alejado de la alimentación o de tierra.

4. OPCIONES DE CABLEADO DE CONDENSADORES

Un buen cableado es extremadamente importante para el funcionamiento eficiente de los circuitos de desacoplamiento. Como puede verse en la Tabla 1, los condensadores con un valor de inductancia en serie efectiva inferior a 1 nH son bastante asequibles. Agregar solo 2 nH triplicará el valor ESL del capacitor. La Figura 4 muestra el cambio en la frecuencia de autorresonancia y el aumento en la reactancia integral al agregar 2 nH de inductancia del conductor a la autoinductancia (0,8 nH) de un capacitor de 4,7 nF.

La Figura 5 muestra varios métodos para colocar y conectar un condensador de desacoplamiento. Para simplificar, los diagramas muestran sólo los terminales del condensador y el terminal de alimentación del componente activo. También se debe prestar considerable atención a la conexión entre el terminal del condensador y el común de alimentación del componente.

La Figura 5A muestra la configuración de cableado más común. El pin de alimentación del componente está conectado mediante un conductor corto al bus de alimentación en la capa interna a través de un orificio pasante. El condensador de desacoplamiento, situado en el otro lado de la placa, se conecta a la misma mediante un orificio. Aunque este enfoque suele estar impulsado por la facilidad de enrutamiento, permite que los circuitos de desacoplamiento funcionen de manera eficiente y ahorra espacio de enrutamiento. Dos orificios individuales agregarán aproximadamente 1 nH de inductancia parásita al circuito de desacoplamiento.

Si el capacitor está ubicado a 50 mils (1,27 mm) del cable del componente, entonces la inductancia agregada será de aproximadamente 0,9 nH en el mejor de los casos. Al alejar el condensador del componente activo, los conductores serán más largos y la inductancia parásita será mayor.

Opción B representa una mejora significativa opción A con el condensador de desacoplamiento y el componente activo colocados en un lado de la PCB. El condensador se conecta después de la inductancia parásita de la vía. Con conductores suficientemente cortos, el circuito de desacoplamiento introduce menos de 1 nH adicional de inductancia parásita.

Opción D es un desarrollo de la opción A: para reducir la autoinductancia y aumentar la capacitancia distribuida, los conductores se ensanchan, lo que también mejora las características del circuito de desacoplamiento.

Opción E - modificación de la opción B con conductores más anchos y mejores características.

A primera vista, la opción C parece completamente inadecuada para el cableado de circuitos de desacoplamiento, ya que no hay conductores que conecten directamente el componente activo con el condensador de desacoplamiento; de hecho, ambos están conectados a través de orificios a los polígonos de energía y tierra, que se encuentran en las capas internas. Con cuatro orificios se añadirá a los circuitos de desacoplamiento un mínimo de 2 nH de inductancia parásita. Sin embargo, los conductores de potencia y de tierra muy anchos prácticamente no agregarán inductancia si la longitud no es muy larga. Esta opción de cableado es adecuada cuando el condensador de desacoplamiento no se puede colocar lo suficientemente cerca del componente activo.

variante F - mejora de la opción C añadiendo agujeros paralelos adicionales. Esta adición reduce la inductancia parásita de las vías en un factor de dos, mejora el rendimiento del circuito y debe usarse siempre que el espacio lo permita.

5. USO DE CONDENSADORES COMPUESTOS

Dado que las capacitancias se suman cuando se conectan en paralelo y la inductancia resultante disminuye, conectar dos capacitores pequeños en paralelo con los mismos valores de capacitancia puede generar una ganancia cualitativa en comparación con el uso de un capacitor grande. El resultado final será la misma capacitancia de desacoplamiento y menos inductancia en serie equivalente parásita.

En la práctica, normalmente se evita el uso de condensadores con diferentes valores de capacitancia para crear un desacoplamiento local. Los condensadores compuestos con diferentes capacitancias tienen una dependencia de la impedancia con la frecuencia, que es la suma de las dependencias de la frecuencia de las impedancias de los capacitores individuales. Un ejemplo se muestra en la Figura 6.

Se utiliza un condensador de 47 nF para aislar las frecuencias bajas y un condensador de 150 pF para aislar las frecuencias altas. A primera vista, se podría suponer que conectar estos condensadores en paralelo mejoraría la característica de impedancia.

Desafortunadamente, no lo es. Una conexión de este tipo puede causar problemas importantes en frecuencias entre las frecuencias de resonancia naturales de los condensadores. La Figura 7 muestra que la combinación de dos condensadores crea un pico anti-resonante (y por lo tanto una mayor resistencia) en la respuesta de frecuencia general.

La fuente de este problema se identifica fácilmente considerando el circuito equivalente que se muestra en la Figura 8. El resultado de conectar los componentes parásitos de los condensadores es un circuito resonante clásico.

Sin embargo, los condensadores compuestos utilizados como elementos de desacoplamiento se utilizan bastante en circuitos de precisión. En este caso, la selección de los condensadores debe abordarse con mucho cuidado, simulando circuitos que incluyan todos los componentes parásitos.