1. ARUS MENUIS LOGIK

Bukan rahsia lagi bahawa apabila menukar keadaan logik, kebanyakan peranti digital mengalami lonjakan arus yang besar, yang mengikuti sejurus selepas tepi isyarat jam (Rajah 1).

Sebagai contoh, litar yang beroperasi pada 100 MHz dan melukis purata kira-kira 4 A sebenarnya mungkin memerlukan 20 A arus semasa beberapa nanosaat pertama jujukan jam. (Sebab berlakunya arus besar apabila menukar keadaan logik dibincangkan dalam artikel oleh B. Carter, Teknik Susun Atur Papan Litar Bercetak", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - nota penterjemah.)

Jelas sekali, menghidupkan litar ini daripada sumber 20-amp akan meningkatkan saiz dan kos produk. Kurang jelas, kearuhan siri sesat dalam wayar ikatan, jejak PCB, dan petunjuk komponen boleh menyebabkan bekalan kuasa kuasa tinggi tidak dapat bertindak balas dengan cepat kepada perubahan serta-merta dalam arus. Sebaliknya, kapasiti beban sumber yang tidak mencukupi akan menyebabkan penurunan voltan yang tidak stabil pada bas kuasa dan darat. Fenomena ini biasanya menunjukkan dirinya sebagai bunyi frekuensi tinggi.

2. PENGGUNAAN KAPASITOR SEBAGAI ELEMEN PENGASINGAN KUASA

Penggunaan kapasitor penyahgandingan memungkinkan untuk mengagihkan arus operasi antara pengguna menggunakan laluan arus impedans rendah (iaitu, kearuhan rendah untuk arus RF). Dari segi praktikal, ini bermakna kapasitor penyahgandingan berfungsi secara langsung kepada komponen digital semasa bekalan kuasa mengecasnya semula. Kunci untuk mencipta litar penyahgandingan yang boleh digunakan dan berjaya ialah pemilihan kapasitor yang digunakan dan pendawaian litar sambungannya yang betul.

Menggunakan kapasitor sebagai elemen penyahgandingan memerlukan pemahaman tentang asas operasinya. Rajah 2a menunjukkan kapasitor ideal - kapasiti untuk mengumpul dan menyimpan cas dan untuk melepaskannya. Rajah 3 menunjukkan pergantungan frekuensi impedans kapasitor ideal - penurunan nilai monoton dengan peningkatan frekuensi. Memandangkan majoriti hingar dalam sistem digital adalah hingar frekuensi tinggi (>50 MHz), mengurangkan galangan pada frekuensi tinggi sangat sesuai untuk penyahgandingan kuasa.

Malangnya, kelakuan kapasitor sebenar tidak begitu mudah; modelnya ditunjukkan dalam Rajah 2b. Struktur fizikal kapasitor sebenar termasuk rintangan siri setara (ESR) dan kearuhan siri setara (ESL). Di samping itu, kapasitor sebenar mempunyai rintangan kebocoran. Jumlah kesan parasit ini membawa kepada perubahan dalam sifat pergantungan frekuensi impedans (Rajah 3).

Titik terendah perhubungan impedans dikenali sebagai frekuensi resonans sendiri. Pereka bentuk sering cuba memilih kapasitor dengan frekuensi resonan semula jadi yang hampir dengan frekuensi operasi sistem. Walau bagaimanapun, parameter kapasitor sebenar menjadikan pemilihan ini tidak praktikal pada frekuensi jam melebihi 100 MHz. Peraturan penting untuk diingat: Kapasitor pintasan boleh digunakan pada frekuensi yang lebih rendah daripada frekuensi resonansnya sendiri selagi impedansnya pada frekuensi ini kekal cukup rendah.

Penurunan voltan merentasi rintangan siri setara kapasitor adalah berkadar dengan arus yang mengalir melaluinya. Oleh kerana penting untuk mengekalkan voltan bekalan yang stabil, adalah wajar untuk menggunakan kapasitor dengan ESR rendah (iaitu, kurang daripada 200 mOhm) dalam litar penyahgandingan. Kearuhan siri setara menentukan seberapa cepat kapasitor bertindak balas terhadap perubahan arus - kapasitor dengan nilai ESL yang lebih rendah akan bertindak balas dengan lebih cepat kepada perubahan dalam aliran arus, yang sangat penting untuk litar penyahgandingan frekuensi tinggi. Walaupun ESR lebih banyak diterangkan dan dikaji sebagai parameter, ESL mungkin lebih penting. Semua kapasitor pelekap permukaan yang disenaraikan dalam Jadual 1 mempunyai nilai ESL yang agak rendah.

Saiz standard	ESL min (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
dengan petunjuk jejari	6,0	15,0
dengan petunjuk paksi	12,0	20,0

Kapasitor dengan bahan jenis I sebagai dielektrik tidak merendahkan ciri-cirinya dari semasa ke semasa dan suhu, tetapi nilai pemalar dielektrik yang rendah menjadikan penggunaannya sebagai komponen penyahgandingan tidak berkesan. Kapasitor dengan bahan Jenis II (iaitu X7R) adalah pilihan yang lebih baik kerana kestabilan jangka panjang yang baik (kehilangan 10% dalam tempoh 10 tahun), ciri suhu dan pemalar dielektrik yang tinggi. Bahan jenis III mempunyai pemalar dielektrik tertinggi dan prestasi suhu yang lemah (kehilangan 50 hingga 75% apabila beroperasi pada suhu yang melampau) dan kestabilan jangka panjang yang lemah (kehilangan 20% dalam tempoh 10 tahun). Antara dielektrik yang popular, seramik berbilang lapisan dan sintetik mempunyai kearuhan dan rintangan siri setara yang kecil. Kapasitor seramik lebih mudah diakses. Kapasitor Tantalum sering digunakan sebagai penyahgandingan frekuensi rendah am, tetapi ia tidak sesuai untuk penyahgandingan tempatan.

Jadual 1 menunjukkan nilai ESL tipikal untuk pelbagai jenis perumah kapasitor. Saiz ialah elemen penentu kearuhan siri setara - biasanya kapasitor yang lebih kecil akan mempunyai nilai ESL yang lebih rendah untuk nilai kapasitans yang sama. Kapasitor dengan nilai ESL yang tinggi tidak sesuai digunakan sebagai elemen penyahgandingan.

Secara umum, strategi yang betul ialah mencari kapasitor dengan kapasitansi terbesar dengan dimensi keseluruhan terkecil (ini hanya benar dari sudut pandangan ESL, tetapi tidak selalu betul dari sudut pandangan parameter penting lain kapasitor - dielektrik serapan - nota penterjemah). Walau bagaimanapun, anda perlu berhati-hati apabila membuat pilihan ini. Ketinggian badan kapasitor mempunyai kesan yang agak ketara pada ESL. Untuk julat ESL yang bertindih dalam Jadual 1, adalah mungkin untuk memilih pakej dengan jejak PCB yang lebih kecil. Walau bagaimanapun, nilai ESL mungkin besar. Oleh itu, apabila memilih jenis kapasitor, perlu dipandu oleh parameter pengilang untuk menentukan pilihan kompromi terbaik.

3. INDUKSI KONDUKTOR

Apabila pendawaian komponen dan litar, halangan utama kepada penyahgandingan yang baik ialah induktansi. Dengan anggaran yang sangat kasar, kita boleh mengandaikan bahawa induktansi laluan dengan impedans ciri 50 Ohms pada bahan FR-4 akan menjadi kira-kira 9 pH untuk setiap 0,025 mm panjang. Kearuhan satu melalui adalah lebih kurang 500 pH dan bergantung pada konfigurasi geometri.

Kearuhan adalah berkadar dengan panjang, jadi adalah penting untuk meminimumkan panjang konduktor antara terminal komponen dan kapasitor penyahgandingan. Kearuhan adalah berkadar songsang dengan lebar jejak, jadi konduktor lebar adalah lebih baik daripada yang sempit.

Ingat bahawa laluan semasa sentiasa gelung dan gelung ini mesti diminimumkan. Mengurangkan jarak antara plumbum kuasa komponen dan plumbum kapasitor mungkin tidak mengurangkan kearuhan keseluruhan. Bagaimana untuk meletakkan kapasitor dengan betul? Lebih dekat dengan pin kuasa komponen? Atau lebih dekat dengan keluaran bumi? Atau di tengah-tengah antara kesimpulan ini? Sesetengah sumber mengesyorkan meletakkan kapasitor dekat dengan terminal paling jauh dari kuasa atau tanah.

4. PILIHAN PENDAWAIAN KAPASITOR

Pendawaian yang baik amat penting untuk pengendalian litar penyahgandingan yang cekap. Seperti yang dapat dilihat daripada Jadual 1, kapasitor dengan nilai kearuhan siri berkesan kurang daripada 1 nH agak berpatutan. Menambah hanya 2 nH akan menggandakan nilai ESL kapasitor. Rajah 4 menunjukkan perubahan dalam kekerapan resonans sendiri dan peningkatan dalam reaktansi kamiran apabila menambah 2 nH kearuhan konduktor kepada kearuhan diri (0,8 nH) bagi kapasitor 4,7 nF.

Rajah 5 menunjukkan beberapa kaedah untuk meletakkan dan menyambungkan kapasitor penyahgandingan. Untuk kesederhanaan, rajah menunjukkan hanya terminal kapasitor dan terminal kuasa komponen aktif. Sambungan antara terminal kapasitor dan bekalan kuasa biasa komponen juga mesti diberi perhatian yang sewajarnya.

Rajah 5A menunjukkan konfigurasi pendawaian yang paling biasa. Pin kuasa komponen disambungkan oleh konduktor pendek ke bas kuasa di lapisan dalam melalui lubang melalui. Kapasitor penyahgandingan, yang terletak di sisi lain papan, disambungkan kepada yang sama melalui lubang. Walaupun pendekatan ini sering didorong oleh kemudahan penghalaan, ia membolehkan litar penyahgandingan beroperasi dengan cekap dan menjimatkan ruang penghalaan. Dua lubang tunggal akan menambah kira-kira 1 nH kearuhan parasit pada litar penyahgandingan.

Jika kapasitor terletak 50 mils (1,27 mm) dari plumbum komponen, maka kearuhan yang ditambah ialah kira-kira 0,9 nH paling baik. Dengan meletakkan kapasitor lebih jauh daripada komponen aktif, konduktor akan menjadi lebih panjang dan kearuhan parasit akan lebih besar.

Pilihan B menunjukkan peningkatan yang ketara pilihan A dengan kapasitor penyahgandingan dan komponen aktif diletakkan pada satu sisi PCB. Kapasitor disambungkan selepas kearuhan parasit melalui. Dengan konduktor yang cukup pendek, litar penyahgandingan memperkenalkan tambahan kurang daripada 1 nH induktansi parasit.

Pilihan D adalah pembangunan pilihan A - untuk mengurangkan kearuhan diri dan meningkatkan kapasitans teragih, konduktor dibuat lebih luas, yang juga meningkatkan ciri-ciri litar penyahgandingan.

Pilihan E - pengubahsuaian pilihan B dengan konduktor yang lebih luas dan ciri yang lebih baik.

Pada pandangan pertama, pilihan C nampaknya tidak sesuai sepenuhnya untuk litar penyahgandingan pendawaian, kerana tiada konduktor yang menyambungkan komponen aktif secara langsung kepada kapasitor penyahgandingan; sebenarnya, kedua-duanya disambungkan melalui lubang ke poligon kuasa dan tanah, yang terletak di lapisan dalam. Dengan empat lubang, sekurang-kurangnya 2 nH induktansi parasit akan ditambah pada litar penyahgandingan. Walau bagaimanapun, kuasa yang sangat luas dan konduktor tanah akan menambah hampir tiada kearuhan jika panjangnya tidak terlalu panjang. Pilihan pendawaian ini sesuai apabila kapasitor penyahgandingan tidak boleh diletakkan cukup dekat dengan komponen aktif.

Varian F - penambahbaikan pilihan C dengan menambah lubang selari tambahan. Penambahan ini mengurangkan kearuhan parasit vias dengan faktor dua, meningkatkan prestasi litar, dan harus digunakan apabila ruang membenarkan.

5. PENGGUNAAN KAPASITOR KOMPOSIT

Oleh kerana kapasitansi ditambah apabila disambung secara selari, dan kearuhan yang terhasil berkurangan, menyambungkan dua kapasitor kecil secara selari dengan nilai kemuatan yang sama boleh membawa kepada keuntungan kualitatif berbanding dengan menggunakan satu kapasitor besar. Hasil akhirnya ialah kemuatan penyahgandingan yang sama dan kearuhan siri setara parasit yang kurang.

Dalam amalan, penggunaan kapasitor dengan nilai kemuatan yang berbeza untuk mencipta penyahgandingan tempatan biasanya dielakkan. Kapasitor komposit dengan kapasitans berbeza mempunyai pergantungan frekuensi impedans, yang merupakan jumlah pergantungan frekuensi galangan kapasitor individu. Satu contoh ditunjukkan dalam Rajah 6.

Kapasitor 47 nF digunakan untuk mengasingkan frekuensi rendah, dan kapasitor 150 pF digunakan untuk mengasingkan frekuensi tinggi. Pada pandangan pertama, seseorang mungkin menganggap bahawa menyambungkan kapasitor ini secara selari akan meningkatkan ciri impedans.

Malangnya, ia tidak. Sambungan sedemikian boleh menyebabkan masalah ketara pada frekuensi antara frekuensi resonans semula jadi kapasitor. Rajah 7 menunjukkan bahawa gabungan dua kapasitor menghasilkan puncak anti-resonan (dan oleh itu rintangan meningkat) dalam tindak balas frekuensi keseluruhan.

Punca masalah ini mudah dikenal pasti dengan mengambil kira litar setara yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Hasil penyambungan komponen parasit kapasitor adalah litar resonan klasik.

Walau bagaimanapun, kapasitor kompaun yang digunakan sebagai elemen penyahgandingan digunakan secara meluas dalam litar ketepatan. Dalam kes ini, pemilihan kapasitor mesti didekati dengan berhati-hati, mensimulasikan litar yang merangkumi semua komponen parasit.