1. LOJİK BİLEŞENLERİN AKIMLARININ DEĞİŞTİRİLMESİ

Mantıksal durumları değiştirirken çoğu dijital cihazın, saat sinyalinin hemen ardından gelen büyük bir akım dalgalanması yaşadığı bir sır değildir (Şekil 1).

Örneğin, 100 MHz'de çalışan ve ortalama 4 A civarında akım çeken bir devre, saat dizisinin ilk birkaç nanosaniyesinde aslında 20 A akım gerektirebilir. (Mantıksal durumları değiştirirken büyük akımların ortaya çıkmasının nedeni, B. Carter'ın, Baskılı Devre Kartı Yerleşim Tekniği", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - çevirmenin notu makalesinde tartışılmaktadır.)

Açıkçası bu devreye 20 amperlik bir kaynaktan güç vermek ürünün boyutunu ve maliyetini artıracaktır. Daha az açık bir şekilde, bağ tellerindeki, PCB izlerindeki ve bileşen uçlarındaki başıboş seri endüktanslar, yüksek güçlü bir güç kaynağının akımdaki anlık değişikliklere hızlı bir şekilde yanıt vermesini imkansız hale getirebilir. Öte yandan kaynağın yetersiz yük kapasitesi, güç ve toprak baralarında dengesiz voltaj düşüşlerine yol açacaktır. Bu olay genellikle yüksek frekanslı gürültü olarak kendini gösterir.

2. KONDANSATÖRLERİN GÜÇ İZOLASYON ELEMANLARI OLARAK KULLANILMASI

Dekuplaj kapasitörlerinin kullanımı, düşük empedanslı (yani RF akımları için düşük endüktanslı) akım yollarını kullanarak çalışma akımını tüketiciler arasında dağıtmayı mümkün kılar. Pratik anlamda bu, güç kaynağı onları yeniden şarj ederken ayırma kapasitörlerinin dijital bileşenlere doğrudan hizmet ettiği anlamına gelir. Çalışabilir ve başarılı bir dekuplaj devresi oluşturmanın anahtarı, kullanılan kapasitörlerin doğru seçilmesi ve bağlantı devrelerinin doğru kablolanmasıdır.

Kapasitörlerin dekuplaj elemanları olarak kullanılması, işlemlerinin temellerinin anlaşılmasını gerektirir. Şekil 2a ideal bir kapasitörü göstermektedir; yükü biriktirme, depolama ve serbest bırakma kapasitesi. Şekil 3, ideal bir kapasitörün empedansının frekansa bağımlılığını göstermektedir - artan frekansla değerde monoton bir azalma. Dijital sistemlerdeki gürültünün çoğunluğu yüksek frekanslı gürültü (>50 MHz) olduğundan, yüksek frekanslarda empedansın azaltılması güç ayrıştırması için çok uygundur.

Ne yazık ki gerçek bir kapasitörün davranışı o kadar basit değildir; modeli Şekil 2b'de gösterilmektedir. Gerçek bir kapasitörün fiziksel yapısı eşdeğer seri direnci (ESR) ve eşdeğer seri endüktansı (ESL) içerir. Ayrıca gerçek bir kapasitörün sızıntı direnci vardır. Bu parazit etkilerin toplamı, empedansın frekansa bağımlılığının doğasında bir değişikliğe yol açar (Şekil 3).

Empedans ilişkisinin en düşük noktası öz rezonans frekansı olarak bilinir. Tasarımcılar genellikle sistemin çalışma frekansına yakın doğal rezonans frekansına sahip kapasitörler seçmeye çalışırlar. Ancak gerçek kapasitörlerin parametreleri, 100 MHz'i aşan saat frekanslarında bu seçimi kullanışsız hale getirir. Hatırlanması gereken önemli bir kural: Baypas kapasitörleri, kendi rezonans frekanslarından daha düşük frekanslarda, bu frekanslardaki empedansları yeterince düşük kaldığı sürece kullanılabilir..

Bir kapasitörün eşdeğer seri direncindeki voltaj düşüşü, içinden geçen akımla orantılıdır. Sabit bir besleme voltajının korunması önemli olduğundan, ayırma devrelerinde düşük ESR'ye (yani 200 mOhm'dan az) sahip kapasitörlerin kullanılması arzu edilir. Eşdeğer seri endüktans, kapasitörün akımdaki değişikliklere ne kadar hızlı yanıt vereceğini belirler - daha düşük ESL değerine sahip kapasitörler, yüksek frekanslı dekuplaj devreleri için çok önemli olan akım akışındaki değişikliklere daha hızlı yanıt verecektir. Her ne kadar ESR bir parametre olarak daha geniş biçimde tanımlanıp incelense de, ESL belki de daha önemlidir. Tablo 1'de listelenen tüm yüzeye monte kapasitörler oldukça düşük ESL değerlerine sahiptir.

Standart ölçü	ESL dk (nH)	ESL maks (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
radyal kablolarla	6,0	15,0
eksenel uçlarla	12,0	20,0

Dielektrik olarak tip I malzemeye sahip kapasitörler, zaman ve sıcaklıkla özelliklerini bozmaz, ancak dielektrik sabitinin düşük değeri, bunların ayırma bileşenleri olarak kullanılmalarını etkisiz hale getirir. Tip II malzemeli (örn. X7R) kapasitörler, iyi uzun vadeli stabilite (10 yılda %10 kayıp), sıcaklık özellikleri ve yüksek dielektrik sabiti nedeniyle daha iyi bir seçimdir. Tip III malzeme, en yüksek dielektrik sabitine ve zayıf sıcaklık performansına (aşırı sıcaklıklarda çalışırken %50 ila %75 kayıp) ve zayıf uzun vadeli stabiliteye (20 yılda %10 kayıp) sahiptir. Popüler dielektrikler arasında çok katmanlı seramikler ve sentetikler küçük eşdeğer seri endüktans ve dirence sahiptir. Seramik kapasitörlerin elde edilmesi daha kolaydır. Tantal kapasitörler genellikle genel düşük frekanslı ayrıştırıcılar olarak kullanılır, ancak yerel ayrıştırma için uygun değildirler.

Tablo 1, çeşitli kapasitör muhafazası tipleri için tipik ESL değerlerini göstermektedir. Boyut, eşdeğer seri endüktansın belirleyici unsurudur; tipik olarak daha küçük bir kapasitör, aynı kapasitans değeri için daha düşük bir ESL değerine sahip olacaktır. Yüksek ESL değerlerine sahip kapasitörler dekuplaj elemanı olarak kullanıma uygun değildir.

Genel olarak doğru strateji, en küçük toplam boyutlara sahip en büyük kapasitansa sahip bir kapasitör aramaktır (bu yalnızca ESL açısından doğrudur, ancak kapasitörlerin başka bir önemli parametresi - dielektrik açısından her zaman doğru değildir) emilim - çevirmenin notu). Ancak bu seçimi yaparken dikkatli olmanız gerekir. Kapasitör gövdesinin yüksekliğinin ESL üzerinde oldukça önemli bir etkisi vardır. Tablo 1'deki örtüşen ESL aralıkları için daha küçük PCB ayak izine sahip bir paket seçmek mümkündür. Ancak ESL'nin değeri büyük olabilir. Bu nedenle, bir kapasitör tipi seçerken, en iyi uzlaşma seçeneğini belirlemek için üreticinin parametrelerine göre yönlendirilmek gerekir.

3. İLETKEN İNDÜKTANSI

Bileşenleri ve devreleri kablolarken, iyi bir ayırmanın önündeki ana engel endüktanstır. Çok kaba bir yaklaşımla, FR-50 malzemesi üzerinde karakteristik empedansı 4 Ohm olan bir yolun endüktansının her 9 mm uzunluk için yaklaşık 0,025 pH olacağını varsayabiliriz. Tek bir yolun endüktansı yaklaşık 500 pH'tır ve geometrik konfigürasyona bağlıdır.

Endüktans uzunlukla orantılıdır, bu nedenle bileşen terminalleri ile ayırma kapasitörü arasındaki iletken uzunluğunu en aza indirmek önemlidir. Endüktans iz genişliği ile ters orantılıdır, bu nedenle geniş iletkenler dar olanlara tercih edilir.

Geçerli yolun her zaman bir döngü olduğunu ve bu döngünün en aza indirilmesi gerektiğini unutmayın. Bileşenin güç kablosu ile kapasitörün kablosu arasındaki mesafenin azaltılması genel endüktansı azaltmayabilir. Kapasitör nasıl doğru şekilde konumlandırılır? Bileşenin güç pimine daha yakın mı? Yoksa dünyanın çıkışına daha mı yakın? Yoksa bu sonuçların ortasında mı? Bazı kaynaklar, kapasitörün güç kaynağından veya topraktan en uzak terminalin yakınına yerleştirilmesini önerir.

4. SAYAÇ AÇMA KAPASİTÖRLERİNİN KABLOLANDIRMA SEÇENEKLERİ

İyi kablolama, ayırma devrelerinin verimli çalışması için son derece önemlidir. Tablo 1'den görülebileceği gibi etkin seri endüktans değeri 1 nH'den küçük olan kapasitörler oldukça ekonomiktir. Sadece 2 nH eklemek kapasitörün ESL değerini üç katına çıkaracaktır. Şekil 4, 2 nF'lik bir kapasitörün öz indüktansına (0,8 nH) 4,7 nH iletken endüktansı eklendiğinde öz rezonans frekansındaki değişimi ve integral reaktanstaki artışı gösterir.

Şekil 5, bir dekuplaj kapasitörünün yerleştirilmesi ve bağlanması için çeşitli yöntemleri göstermektedir. Basitlik açısından, diyagramlar yalnızca aktif bileşenin kapasitör terminallerini ve güç terminalini göstermektedir. Kapasitör terminali ile bileşenin ortak güç kaynağı arasındaki bağlantıya da büyük önem verilmelidir.

Şekil 5A en yaygın kablolama konfigürasyonunu göstermektedir. Bileşenin güç pimi kısa bir iletkenle iç katmandaki güç veriyoluna bir geçiş deliği aracılığıyla bağlanır. Kartın diğer tarafında bulunan dekuplaj kondansatörü de aynı deliğe bağlanır. Her ne kadar bu yaklaşım genellikle yönlendirme kolaylığından kaynaklansa da, ayırma devrelerinin verimli bir şekilde çalışmasına olanak tanır ve yönlendirme alanından tasarruf sağlar. İki tek delik, ayırma devresine yaklaşık 1 nH parazitik endüktans ekleyecektir.

Kapasitör, bileşen kablosundan 50 mil (1,27 mm) uzakta bulunuyorsa, eklenen endüktans en iyi ihtimalle yaklaşık 0,9 nH olacaktır. Kapasitörün aktif bileşenden daha uzağa yerleştirilmesiyle iletkenler daha uzun olacak ve parazitik endüktans daha büyük olacaktır.

Seçenek B önemli bir iyileşmeyi temsil ediyor A seçeneği dekuplaj kapasitörü ve aktif bileşen PCB'nin bir tarafına yerleştirilir. Kondansatör, yolun parazitik endüktansından sonra bağlanır. Yeterince kısa iletkenlerle, ayırma devresi 1 nH'den daha az ek parazitik endüktans sağlar.

Seçenek D A seçeneğinin bir gelişmesidir - öz indüktansı azaltmak ve dağıtılmış kapasitansı artırmak için iletkenler daha geniş hale getirilir ve bu aynı zamanda ayırma devresinin özelliklerini de geliştirir.

Seçenek E - B seçeneğinin daha geniş iletkenler ve daha iyi özelliklerle değiştirilmesi.

İlk bakışta, aktif bileşeni ayırma kapasitörüne doğrudan bağlayan hiçbir iletken bulunmadığından, C seçeneği ayırma devrelerinin kablolanması için tamamen uygunsuz görünmektedir; aslında her ikisi de delikler aracılığıyla iç katmanlarda bulunan güç ve toprak poligonlarına bağlıdır. Dört delik ile dekuplaj devrelerine minimum 2 nH parazitik endüktans eklenecektir. Bununla birlikte, çok geniş güç ve topraklama iletkenleri, eğer uzunluk çok uzun değilse, hemen hemen hiç endüktans eklemeyecektir. Bu kablolama seçeneği, ayırma kapasitörünün aktif bileşene yeterince yakın yerleştirilemediği durumlarda uygundur.

Seçenek F - ilave paralel delikler eklenerek C seçeneğinin iyileştirilmesi. Bu ekleme, yolların parazitik endüktansını iki kat azaltır, devre performansını artırır ve alan izin verdiğinde kullanılmalıdır.

5. BİLEŞİK KAPASİTÖRLERİN UYGULANMASI

Paralel bağlandığında kapasitanslar arttığından ve ortaya çıkan endüktans azaldığından, aynı kapasitans değerlerine sahip iki küçük kapasitörün paralel bağlanması, bir büyük kapasitör kullanmaya kıyasla niteliksel bir kazanca yol açabilir. Nihai sonuç, aynı dekuplaj kapasitansı ve daha az parazitik eşdeğer seri endüktans olacaktır.

Pratikte yerel dekuplaj oluşturmak için farklı kapasitans değerlerine sahip kapasitörlerin kullanımından genellikle kaçınılır. Farklı kapasitanslara sahip kompozit kapasitörler, bireysel kapasitörlerin empedanslarının frekans bağımlılıklarının toplamı olan empedansın frekans bağımlılığına sahiptir. Bir örnek Şekil 6'da gösterilmektedir.

Düşük frekansları izole etmek için 47 nF'lik bir kapasitör kullanılır ve yüksek frekansları izole etmek için 150 pF'lik bir kapasitör kullanılır. İlk bakışta bu kapasitörlerin paralel bağlanmasının empedans özelliklerini iyileştireceği düşünülebilir.

Maalesef öyle değil. Böyle bir bağlantı, kapasitörlerin doğal rezonans frekansları arasındaki frekanslarda önemli sorunlara neden olabilir. Şekil 7, iki kapasitör kombinasyonunun, toplam frekans tepkisinde bir anti-rezonans tepe noktası (ve dolayısıyla artan direnç) yarattığını göstermektedir.

Bu problemin kaynağı, Şekil 8'de gösterilen eşdeğer devre dikkate alınarak kolayca tespit edilebilir. Kondansatörlerin parazit bileşenlerinin bağlanmasının sonucu, klasik bir rezonans devresidir.

Bununla birlikte, ayırma elemanı olarak kullanılan bileşik kapasitörler hassas devrelerde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu durumda, tüm parazitik bileşenleri içeren devreleri simüle ederek kapasitör seçimine büyük bir dikkatle yaklaşılmalıdır.