1. CORRENTI DI COMMUTAZIONE LOGICA

Non è un segreto che quando si cambiano gli stati logici, la maggior parte dei dispositivi digitali sperimenta una grande corrente di spunto che segue immediatamente la parte anteriore del segnale dell'orologio (Fig. 1).

Ad esempio, un circuito che funziona a 100 MHz e assorbe in media circa 4 A potrebbe effettivamente richiedere 20 A di corrente durante i primi nanosecondi della sequenza di clock. (Il motivo del verificarsi di grandi correnti quando si cambiano gli stati logici è considerato nell'articolo di B. Carter "Tecnica di layout del circuito stampato", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - nota del traduttore.)

Ovviamente, alimentare questo circuito da una sorgente da 20 A aumenterà le dimensioni e il costo del prodotto. Meno ovviamente, le induttanze in serie parassite nei cavi, nelle tracce del PCB e nei conduttori dei componenti possono rendere impossibile per un grande alimentatore rispondere rapidamente ai cambiamenti istantanei di corrente. D'altro canto, una capacità di carico insufficiente della sorgente porterà a cadute di tensione instabili sui binari di alimentazione e di terra. Questo fenomeno si manifesta solitamente come rumore ad alta frequenza.

2. APPLICAZIONE DEI CONDENSATORI COME ELEMENTI DI DEPOSITO DI POTENZA

L'uso di condensatori di disaccoppiamento consente di distribuire la corrente operativa tra i consumatori utilizzando percorsi di corrente a bassa impedenza (ovvero bassa induttanza per le correnti RF). In pratica ciò significa che i condensatori di disaccoppiamento servono direttamente i componenti digitali, mentre l'alimentatore si occupa di ricaricarli. La chiave per creare un circuito di disaccoppiamento funzionante e di successo è la scelta corretta dei condensatori utilizzati e il corretto cablaggio dei loro circuiti di connessione.

L'utilizzo dei condensatori come elementi di disaccoppiamento richiede la comprensione delle basi del loro funzionamento. La Figura 2a mostra un condensatore ideale: una capacità per accumulare, immagazzinare carica e per rilasciarla. La Figura 3 mostra la dipendenza dalla frequenza dell'impedenza di un condensatore ideale: una diminuzione monotona del valore all'aumentare della frequenza. Poiché il rumore dominante nei sistemi digitali è il rumore ad alta frequenza (>50 MHz), la riduzione dell'impedenza alle alte frequenze è particolarmente adatta al disaccoppiamento di potenza.

Purtroppo il comportamento di un condensatore reale non è così semplice; il suo modello è mostrato nella Figura 2b. La progettazione fisica di un condensatore reale include una resistenza in serie equivalente (ESR) e un'induttanza in serie equivalente (ESL). Inoltre, un vero condensatore ha una resistenza alle perdite. La somma di questi effetti parassiti porta ad un cambiamento nella natura della dipendenza dalla frequenza dell'impedenza (Fig. 3).

Il punto più basso della dipendenza dall'impedenza è noto come frequenza di auto-risonanza. I progettisti spesso cercano di trovare condensatori con una frequenza di risonanza naturale vicina alla frequenza operativa del sistema. Tuttavia, i parametri dei condensatori reali rendono questa selezione poco pratica a frequenze di clock superiori a 100 MHz. Una regola importante da ricordare: i condensatori di disaccoppiamento possono essere utilizzati a frequenze inferiori alla propria frequenza di risonanza, purché la loro impedenza a queste frequenze rimanga sufficientemente bassa.

La caduta di tensione sulla resistenza in serie equivalente di un condensatore è proporzionale alla corrente che lo attraversa. Poiché è importante mantenere stabile la tensione di alimentazione, è preferibile utilizzare condensatori con bassa ESR (ovvero inferiore a 200 mΩ) nei circuiti di disaccoppiamento. L'induttanza in serie equivalente determina la rapidità con cui un condensatore risponde ai cambiamenti di corrente: i condensatori con un valore ESL inferiore risponderanno più rapidamente ai cambiamenti nel flusso di corrente, il che è molto importante per i circuiti di disaccoppiamento ad alta frequenza. Sebbene, come parametro, la VES sia più ampiamente descritta e studiata, l’ASP è probabilmente più importante. Tutti i condensatori a montaggio superficiale elencati nella Tabella 1 hanno valori ESL piuttosto bassi.

Taglia	ESL min (nH)	ESL max (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 fili radiali	6,0	15,0
con conduttori assiali	12,0	20,0

I condensatori con materiale dielettrico di tipo I non degradano le loro prestazioni con il tempo e la temperatura, ma il basso valore della costante dielettrica ne rende inefficiente l'utilizzo come componenti di disaccoppiamento. I condensatori con materiale di tipo II (ovvero X7R) sono la scelta migliore grazie alla buona stabilità a lungo termine (perdita del 10% in 10 anni), alle prestazioni termiche e all'elevata costante dielettrica. Il materiale di Tipo III ha la costante dielettrica più elevata, prestazioni termiche scarse (perdita dal 50 al 75% a temperature estreme) e scarsa stabilità a lungo termine (perdita del 20% in 10 anni). Tra i dielettrici più diffusi, i ceramici multistrato e i sintetici hanno induttanza e resistenza in serie equivalenti piccole. I condensatori ceramici sono più facilmente accessibili. I condensatori al tantalio sono spesso utilizzati come disaccoppiatori generali a bassa frequenza, tuttavia non sono adatti per il disaccoppiamento locale.

La tabella 1 mostra i valori ESL tipici per vari tipi di pacchetti di condensatori. La dimensione è l'elemento che definisce l'induttanza in serie equivalente: solitamente un condensatore più piccolo avrà un ESL inferiore per lo stesso valore di capacità. I condensatori con valori ESL elevati non sono adatti all'uso come elementi di disaccoppiamento.

In generale, la strategia corretta è quella di trovare il condensatore con la capacità più elevata nel più piccolo ingombro. Bisogna però fare attenzione a questa scelta. L'altezza della custodia del condensatore ha un effetto significativo sull'ESL. Per le gamme ESL sovrapposte nella Tabella 1, è possibile selezionare un pacchetto con un ingombro PCB più piccolo. Tuttavia, il valore ESL potrebbe essere elevato. Pertanto, quando si sceglie un tipo di condensatore, è necessario concentrarsi sui parametri del produttore per determinare la migliore opzione di compromesso.

3. INDUTTANZA DEL CONDUTTORE

Quando si cablano componenti e circuiti, l'ostacolo principale a un buon disaccoppiamento è l'induttanza. Con approssimazioni molto approssimative, possiamo assumere che l'induttanza di una traccia con impedenza caratteristica di 50 Ω su materiale FR-4 sarà di circa 9 pH per ogni 0,025 mm di lunghezza. L'induttanza di una singola via è di circa 500 pH e dipende dalla geometria.

L'induttanza è proporzionale alla lunghezza, quindi è importante ridurre al minimo la lunghezza del conduttore tra i terminali del componente e il condensatore di disaccoppiamento. L'induttanza è inversamente proporzionale alla larghezza della traccia, quindi sono preferiti i conduttori larghi rispetto a quelli stretti.

Ricorda che il percorso corrente è sempre un ciclo e questo ciclo deve essere ridotto al minimo. Ridurre la distanza tra il pin di alimentazione del componente e il pin del condensatore potrebbe non ridurre l'induttanza complessiva. Come posizionare correttamente il condensatore? Più vicino al pin di alimentazione del componente? O più vicino alla conclusione della terra? O nel mezzo tra queste conclusioni? Alcune fonti consigliano di posizionare il condensatore vicino al terminale più lontano dal piano di alimentazione o di terra.

4. OPZIONI DI CABLAGGIO DEI CONDENSATORI

Un buon cablaggio è estremamente importante per il funzionamento efficiente dei circuiti di disaccoppiamento. Come si può vedere dalla Tabella 1, i condensatori con un valore di induttanza serie effettiva inferiore a 1 nH sono abbastanza convenienti. Aggiungendo solo 2 nH si triplicherà il valore ESL del condensatore. La Figura 4 mostra la variazione della frequenza di autorisonanza e l'aumento della reattanza integrale quando si aggiunge un'induttanza del conduttore da 2 nH all'autoinduttanza da 0,8 nH di un condensatore da 4,7 nF.

La Figura 5 mostra diversi metodi per posizionare e collegare un condensatore di disaccoppiamento. Per semplicità negli schemi sono rappresentati solo i terminali del condensatore ed il terminale di potenza del componente attivo. Occorre prestare molta attenzione anche al collegamento tra il terminale del condensatore ed il terminale comune di potenza del componente.

La Figura 5A mostra la configurazione di cablaggio più comune. Il pin di alimentazione del componente è collegato tramite un corto conduttore al bus di alimentazione nello strato interno tramite un passante. Il condensatore di disaccoppiamento sull'altro lato della scheda è collegato allo stesso tramite. Sebbene questo approccio sia spesso guidato dalla facilità di cablaggio, consente ai circuiti di disaccoppiamento di funzionare in modo efficiente e di risparmiare spazio nel cablaggio. Due fori singoli aggiungeranno circa 1 nH di induttanza parassita al circuito di disaccoppiamento.

Se il condensatore si trova a 50 mil (1,27 mm) dal cavo del componente, l'induttanza aggiunta sarà al massimo di circa 0,9 nH. Posizionando il condensatore più lontano dal componente attivo i conduttori saranno più lunghi e l'induttanza parassita sarà maggiore.

Opzione B rappresenta un notevole miglioramento opzione A con il posizionamento del condensatore di disaccoppiamento e del componente attivo sullo stesso lato del circuito stampato. Il condensatore è collegato dopo l'induttanza parassita del via. Con conduttori sufficientemente corti, il circuito di disaccoppiamento aggiunge meno di 1 nH di induttanza parassita.

Opzione D rappresenta lo sviluppo dell'opzione A - per ridurre l'autoinduttanza e aumentare la capacità distribuita, i conduttori vengono allargati, il che migliora anche le caratteristiche del circuito di disaccoppiamento.

Opzione E - modifica dell'opzione B con conduttori più larghi e prestazioni migliori.

A prima vista, sembra che l'opzione C sia del tutto inadatta al cablaggio di disaccoppiamento, poiché non ci sono conduttori che collegano direttamente il componente attivo al condensatore di disaccoppiamento; entrambi infatti sono collegati tramite fori ai poligoni di potenza e di terra, che si trovano negli strati più interni. Con quattro fori, ai circuiti di disaccoppiamento verrà aggiunto un minimo di 2 nH di induttanza parassita. Tuttavia, conduttori di alimentazione e di terra molto ampi aggiungeranno poca o nessuna induttanza se la lunghezza non è molto grande. Questa opzione di cablaggio è adatta quando il condensatore di disaccoppiamento non può essere posizionato abbastanza vicino al componente attivo.

variante F - miglioramento dell'opzione C aggiungendo ulteriori fori paralleli. Questa aggiunta riduce l'induttanza parassita delle vie di un fattore due, migliora le prestazioni del circuito e dovrebbe essere utilizzata ogni volta che lo spazio lo consente.

5. UTILIZZO DI CONDENSATORI COMPOSITI

Poiché le capacità nel collegamento in parallelo si sommano e l'induttanza risultante diminuisce, il collegamento in parallelo di due piccoli condensatori con gli stessi valori di capacità può portare ad un guadagno qualitativo rispetto all'utilizzo di un unico condensatore di grandi dimensioni. Il risultato finale sarà la stessa capacità di disaccoppiamento e un'induttanza in serie equivalente parassita inferiore.

In pratica, di solito si evita di utilizzare condensatori con valori di capacità diversi per creare un disaccoppiamento locale. I condensatori compositi con capacità diverse hanno una dipendenza dalla frequenza dell'impedenza, che è costituita dalle dipendenze dalla frequenza delle impedenze dei singoli condensatori. Un esempio è mostrato nella Figura 6.

Un condensatore da 47nF viene utilizzato per isolare le basse frequenze e un condensatore da 150pF viene utilizzato per le alte frequenze. A prima vista, potresti pensare che collegare questi condensatori in parallelo migliorerà la risposta dell'impedenza.

Sfortunatamente non lo è. Tale collegamento può causare problemi significativi a frequenze comprese tra le frequenze di risonanza naturale dei condensatori. La Figura 7 mostra che la combinazione di due condensatori crea un picco anti-risonante (e quindi una maggiore resistenza) nella risposta in frequenza complessiva.

L'origine di questo problema è facilmente identificabile osservando il circuito equivalente mostrato nella Figura 8. Il risultato del collegamento di componenti parassiti del condensatore è un classico circuito risonante.

Tuttavia, i condensatori composti utilizzati come elementi di disaccoppiamento sono ampiamente utilizzati nei circuiti di precisione. In questo caso la scelta dei condensatori deve essere affrontata con molta attenzione, modellando circuiti che includano tutti i componenti parassiti.