1. CORRENTES DE COMUTAÇÃO LÓGICA

Não é nenhum segredo que, ao mudar os estados lógicos, a maioria dos dispositivos digitais experimenta um grande surto de corrente, que segue imediatamente após o limite do sinal do clock (Fig. 1).

Por exemplo, um circuito operando a 100 MHz e consumindo uma média de cerca de 4 A pode, na verdade, exigir 20 A de corrente durante os primeiros nanossegundos da sequência de clock. (A razão para a ocorrência de grandes correntes ao alterar os estados lógicos é discutida no artigo de B. Carter, Técnica de layout de placa de circuito impresso", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - nota do tradutor.)

Obviamente, alimentar este circuito a partir de uma fonte de 20 A aumentará o tamanho e o custo do produto. Menos obviamente, indutâncias em série parasitas em fios de ligação, traços de PCB e terminais de componentes podem tornar impossível para uma fonte de alimentação de alta potência responder rapidamente a mudanças instantâneas na corrente. Por outro lado, a capacidade de carga insuficiente da fonte levará a quedas de tensão instáveis ​​nos barramentos de potência e de terra. Este fenômeno geralmente se manifesta como ruído de alta frequência.

2. USO DE CAPACITORES COMO ELEMENTOS DE ISOLAMENTO DE ENERGIA

O uso de capacitores de desacoplamento possibilita distribuir a corrente operacional entre os consumidores usando caminhos de corrente de baixa impedância (ou seja, baixa indutância para correntes de RF). Em termos práticos, isso significa que os capacitores de desacoplamento atendem diretamente aos componentes digitais enquanto a fonte de alimentação os recarrega. A chave para criar um circuito de desacoplamento funcional e bem-sucedido é a seleção correta dos capacitores usados ​​e a fiação correta de seus circuitos de conexão.

O uso de capacitores como elementos de desacoplamento requer uma compreensão dos fundamentos de sua operação. A Figura 2a mostra um capacitor ideal – uma capacidade de acumular e armazenar carga e de liberá-la. A Figura 3 mostra a dependência da frequência da impedância de um capacitor ideal - uma diminuição monotônica no valor com o aumento da frequência. Como a maior parte do ruído em sistemas digitais é ruído de alta frequência (>50 MHz), a redução da impedância em altas frequências é adequada para o desacoplamento de energia.

Infelizmente, o comportamento de um capacitor real não é tão simples; seu modelo é mostrado na Figura 2b. A estrutura física de um capacitor real inclui resistência em série equivalente (ESR) e indutância em série equivalente (ESL). Além disso, um capacitor real possui resistência a vazamentos. A soma desses efeitos parasitas leva a uma mudança na natureza da dependência da frequência da impedância (Fig. 3).

O ponto mais baixo da relação de impedância é conhecido como frequência auto-ressonante. Os projetistas muitas vezes tentam selecionar capacitores com uma frequência de ressonância natural próxima à frequência operacional do sistema. No entanto, os parâmetros dos capacitores reais tornam esta seleção impraticável em frequências de clock superiores a 100 MHz. Uma regra importante a lembrar: Os capacitores de bypass podem ser usados ​​em frequências inferiores à sua própria frequência de ressonância, desde que sua impedância nessas frequências permaneça baixa o suficiente..

A queda de tensão na resistência em série equivalente de um capacitor é proporcional à corrente que flui através dele. Como é importante manter uma tensão de alimentação estável, é desejável usar capacitores com ESR baixo (ou seja, menos de 200 mOhm) nos circuitos de desacoplamento. A indutância em série equivalente determina a rapidez com que o capacitor responde às mudanças na corrente - capacitores com um valor ESL mais baixo responderão mais rapidamente às mudanças no fluxo de corrente, o que é muito importante para circuitos de desacoplamento de alta frequência. Embora a VHS seja mais amplamente descrita e estudada como parâmetro, o AEP é talvez mais importante. Todos os capacitores de montagem em superfície listados na Tabela 1 possuem valores ESL bastante baixos.

Tamanho padrão	ESL mín. (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
com fios radiais	6,0	15,0
com fios axiais	12,0	20,0

Capacitores com material tipo I como dielétrico não degradam suas características com o tempo e a temperatura, mas o baixo valor da constante dielétrica torna ineficaz seu uso como componentes de desacoplamento. Capacitores com material Tipo II (ou seja, X7R) são uma escolha melhor devido à boa estabilidade a longo prazo (perda de 10% em 10 anos), características de temperatura e alta constante dielétrica. O material Tipo III tem a constante dielétrica mais alta e baixo desempenho em temperatura (perdas de 50 a 75% ao operar em temperaturas extremas) e baixa estabilidade a longo prazo (perdas de 20% em 10 anos). Entre os dielétricos populares, as cerâmicas multicamadas e os sintéticos têm pequenas indutâncias e resistências em série equivalentes. Capacitores cerâmicos são mais fáceis de obter. Os capacitores de tântalo são frequentemente usados ​​como desacopladores gerais de baixa frequência, mas não são adequados para desacoplamento local.

A Tabela 1 mostra valores ESL típicos para vários tipos de caixas de capacitores. O tamanho é o elemento determinante da indutância em série equivalente - normalmente um capacitor menor terá um valor ESL mais baixo para o mesmo valor de capacitância. Capacitores com altos valores ESL não são adequados para uso como elementos de desacoplamento.

Em geral, a estratégia correta é procurar um capacitor com a maior capacitância com as menores dimensões gerais (isso só é verdade do ponto de vista ESL, mas nem sempre correto do ponto de vista de outro parâmetro importante dos capacitores - dielétrico absorção - nota do tradutor). Porém, é preciso ter cuidado ao fazer essa escolha. A altura do corpo do capacitor tem um efeito bastante significativo no ESL. Para faixas ESL sobrepostas na Tabela 1, é possível selecionar um pacote com uma área de PCB menor. No entanto, o valor do AEP pode ser elevado. Portanto, ao escolher um tipo de capacitor, é necessário guiar-se pelos parâmetros do fabricante para determinar a melhor opção de compromisso.

3. INDUTÂNCIA DO CONDUTOR

Ao conectar componentes e circuitos, o principal obstáculo para um bom desacoplamento é a indutância. Com aproximações muito grosseiras, podemos assumir que a indutância de um caminho com impedância característica de 50 Ohms no material FR-4 será de cerca de 9 pH para cada 0,025 mm de comprimento. A indutância de uma única via é de aproximadamente 500 pH e depende da configuração geométrica.

A indutância é proporcional ao comprimento, por isso é importante minimizar o comprimento do condutor entre os terminais do componente e o capacitor de desacoplamento. A indutância é inversamente proporcional à largura do traço, portanto condutores largos são preferíveis aos estreitos.

Lembre-se que o caminho atual é sempre um loop e esse loop deve ser minimizado. Reduzir a distância entre o cabo de alimentação do componente e o cabo do capacitor pode não reduzir a indutância geral. Como posicionar o capacitor corretamente? Mais perto do pino de alimentação do componente? Ou mais perto da saída da Terra? Ou no meio dessas conclusões? Algumas fontes recomendam colocar o capacitor próximo ao terminal mais distante da alimentação ou do terra.

4. OPÇÕES DE FIAÇÃO DE CAPACITORES

Uma boa fiação é extremamente importante para a operação eficiente dos circuitos de desacoplamento. Como pode ser visto na Tabela 1, capacitores com valor efetivo de indutância em série inferior a 1 nH são bastante acessíveis. Adicionar apenas 2 nH triplicará o valor ESL do capacitor. A Figura 4 mostra a mudança na frequência auto-ressonante e o aumento na reatância integral ao adicionar 2 nH de indutância do condutor à auto-indutância (0,8 nH) de um capacitor de 4,7 nF.

A Figura 5 mostra vários métodos para colocar e conectar um capacitor de desacoplamento. Para simplificar, os diagramas mostram apenas os terminais do capacitor e o terminal de potência do componente ativo. A conexão entre o terminal do capacitor e o comum de alimentação do componente também deve receber atenção considerável.

A Figura 5A mostra a configuração de fiação mais comum. O pino de alimentação do componente é conectado por um condutor curto ao barramento de alimentação na camada interna através de um orifício de passagem. O capacitor de desacoplamento, localizado do outro lado da placa, é conectado ao mesmo através do furo. Embora esta abordagem seja muitas vezes motivada pela facilidade de roteamento, ela permite que os circuitos de desacoplamento operem de forma eficiente e economize espaço de roteamento. Dois furos únicos adicionarão cerca de 1 nH de indutância parasita ao circuito de desacoplamento.

Se o capacitor estiver localizado a 50 mils (1,27 mm) do terminal do componente, a indutância adicionada será de cerca de 0,9 nH, na melhor das hipóteses. Ao colocar o capacitor mais longe do componente ativo, os condutores serão mais longos e a indutância parasita será maior.

Opção B representa uma melhoria significativa opção A com o capacitor de desacoplamento e o componente ativo colocados em um lado da placa de circuito impresso. O capacitor é conectado após a indutância parasita da via. Com condutores suficientemente curtos, o circuito de desacoplamento introduz menos de 1 nH adicional de indutância parasita.

Opção D é um desenvolvimento da opção A - para reduzir a autoindutância e aumentar a capacitância distribuída, os condutores são alargados, o que também melhora as características do circuito de desacoplamento.

Opção E - modificação da opção B com condutores mais largos e melhores características.

À primeira vista, a opção C parece ser completamente inadequada para a fiação de circuitos de desacoplamento, uma vez que não há condutores conectando diretamente o componente ativo ao capacitor de desacoplamento; na verdade, ambos estão conectados através de orifícios aos polígonos de energia e de aterramento, que estão localizados nas camadas internas. Com quatro furos, um mínimo de 2 nH de indutância parasita será adicionado aos circuitos de desacoplamento. No entanto, condutores de energia e de aterramento muito amplos praticamente não adicionarão nenhuma indutância se o comprimento não for muito longo. Esta opção de fiação é adequada quando o capacitor de desacoplamento não pode ser colocado próximo o suficiente do componente ativo.

Variante F - melhoria da opção C adicionando furos paralelos adicionais. Esta adição reduz a indutância parasita das vias por um fator de dois, melhora o desempenho do circuito e deve ser usada sempre que o espaço permitir.

5. USO DE CAPACITORES COMPOSTOS

Como as capacitâncias aumentam quando conectadas em paralelo e a indutância resultante diminui, conectar dois capacitores pequenos em paralelo com os mesmos valores de capacitância pode levar a um ganho qualitativo em comparação ao uso de um capacitor grande. O resultado final será a mesma capacitância de desacoplamento e menos indutância em série equivalente parasita.

Na prática, geralmente evita-se o uso de capacitores com diferentes valores de capacitância para criar desacoplamento local. Capacitores compostos com capacitâncias diferentes têm uma dependência de frequência da impedância, que é a soma das dependências de frequência das impedâncias dos capacitores individuais. Um exemplo é mostrado na Figura 6.

Um capacitor de 47 nF é usado para isolar baixas frequências e um capacitor de 150 pF é usado para isolar altas frequências. À primeira vista, pode-se supor que a conexão desses capacitores em paralelo melhoraria as características de impedância.

Infelizmente, não é. Tal conexão pode causar problemas significativos em frequências entre as frequências ressonantes naturais dos capacitores. A Figura 7 mostra que a combinação de dois capacitores cria um pico anti-ressonante (e, portanto, aumenta a resistência) na resposta de frequência geral.

A origem deste problema é facilmente identificada considerando o circuito equivalente mostrado na Figura 8. O resultado da conexão dos componentes parasitas dos capacitores é um circuito ressonante clássico.

No entanto, capacitores compostos usados ​​como elementos de desacoplamento são amplamente utilizados em circuitos de precisão. Neste caso, a seleção dos capacitores deve ser feita com muito cuidado, simulando circuitos que incluam todos os componentes parasitas.