1. LOGISCHE SCHALTSTRÖME

Es ist kein Geheimnis, dass die meisten digitalen Geräte beim Ändern logischer Zustände einen großen Stromstoß erfahren, der unmittelbar nach der Flanke des Taktsignals folgt (Abb. 1).

Beispielsweise kann eine Schaltung, die mit 100 MHz arbeitet und durchschnittlich etwa 4 A verbraucht, in den ersten paar Nanosekunden der Taktsequenz tatsächlich 20 A Strom benötigen. (Der Grund für das Auftreten großer Ströme beim Ändern logischer Zustände wird im Artikel von B. Carter, „Printed Circuit Board Layout Technique“, elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm – Anmerkung des Übersetzers, diskutiert.)

Offensichtlich erhöht die Stromversorgung dieses Stromkreises über eine 20-Ampere-Quelle die Größe und die Kosten des Produkts. Weniger offensichtlich ist, dass Streuinduktivitäten in Bonddrähten, Leiterbahnen auf Leiterplatten und Komponentenleitungen dazu führen können, dass ein Hochleistungsnetzteil nicht schnell auf plötzliche Stromänderungen reagieren kann. Andererseits führt eine unzureichende Belastbarkeit der Quelle zu instabilen Spannungsabfällen auf den Strom- und Erdungsschienen. Dieses Phänomen äußert sich meist als hochfrequentes Rauschen.

2. VERWENDUNG VON KONDENSATOREN ALS STROMISOLIERUNGSELEMENTE

Durch den Einsatz von Entkopplungskondensatoren ist es möglich, den Betriebsstrom über niederohmige (d. h. bei HF-Strömen niedrige Induktivität) Strompfade auf die Verbraucher zu verteilen. Konkret bedeutet dies, dass die Entkopplungskondensatoren direkt die digitalen Komponenten versorgen, während das Netzteil sie wieder auflädt. Der Schlüssel zum Aufbau einer funktionierenden und erfolgreichen Entkopplungsschaltung liegt in der richtigen Auswahl der verwendeten Kondensatoren und der richtigen Verdrahtung ihrer Anschlusskreise.

Die Verwendung von Kondensatoren als Entkopplungselemente erfordert ein Verständnis der Grundlagen ihrer Funktionsweise. Abbildung 2a zeigt einen idealen Kondensator – eine Kapazität zum Sammeln und Speichern von Ladung und zu deren Abgabe. Abbildung 3 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Impedanz eines idealen Kondensators – eine monotone Wertabnahme mit zunehmender Frequenz. Da der Großteil des Rauschens in digitalen Systemen hochfrequentes Rauschen (>50 MHz) ist, eignet sich die Reduzierung der Impedanz bei hohen Frequenzen gut zur Leistungsentkopplung.

Leider ist das Verhalten eines echten Kondensators nicht so einfach; sein Modell ist in Abbildung 2b dargestellt. Die physikalische Struktur eines echten Kondensators umfasst den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und die äquivalente Serieninduktivität (ESL). Darüber hinaus weist ein echter Kondensator einen Ableitwiderstand auf. Die Summe dieser parasitären Effekte führt zu einer Änderung der Art der Frequenzabhängigkeit der Impedanz (Abb. 3).

Der niedrigste Punkt der Impedanzbeziehung wird als Eigenresonanzfrequenz bezeichnet. Entwickler versuchen oft, Kondensatoren mit einer Eigenresonanzfrequenz auszuwählen, die nahe an der Betriebsfrequenz des Systems liegt. Allerdings machen die Parameter realer Kondensatoren diese Auswahl bei Taktfrequenzen über 100 MHz unpraktisch. Eine wichtige Regel, die Sie beachten sollten: Bypass-Kondensatoren können bei Frequenzen verwendet werden, die unter ihrer eigenen Resonanzfrequenz liegen, solange ihre Impedanz bei diesen Frequenzen niedrig genug bleibt.

Der Spannungsabfall am äquivalenten Serienwiderstand eines Kondensators ist proportional zum durch ihn fließenden Strom. Da es wichtig ist, eine stabile Versorgungsspannung aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, in den Entkopplungskreisen Kondensatoren mit niedrigem ESR (d. h. weniger als 200 mOhm) zu verwenden. Die äquivalente Serieninduktivität bestimmt, wie schnell der Kondensator auf Stromänderungen reagiert – Kondensatoren mit einem niedrigeren ESL-Wert reagieren schneller auf Änderungen im Stromfluss, was für Hochfrequenz-Entkopplungsschaltungen sehr wichtig ist. Obwohl ESR umfassender als Parameter beschrieben und untersucht wird, ist ESL möglicherweise wichtiger. Alle in Tabelle 1 aufgeführten oberflächenmontierten Kondensatoren weisen relativ niedrige ESL-Werte auf.

Standardgröße	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
mit radialen Zuleitungen	6,0	15,0
mit axialen Leitungen	12,0	20,0

Kondensatoren mit Typ-I-Material als Dielektrikum verschlechtern ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit und der Temperatur nicht, aber der niedrige Wert der Dielektrizitätskonstante macht ihre Verwendung als Entkopplungskomponenten unwirksam. Kondensatoren mit Material vom Typ II (d. h. X7R) sind aufgrund ihrer guten Langzeitstabilität (10 % Verlust über 10 Jahre), Temperatureigenschaften und hoher Dielektrizitätskonstante die bessere Wahl. Material vom Typ III weist die höchste Dielektrizitätskonstante und ein schlechtes Temperaturverhalten (50 bis 75 % Verluste bei Betrieb bei extremen Temperaturen) sowie eine schlechte Langzeitstabilität (20 % Verluste über 10 Jahre) auf. Zu den gängigen Dielektrika zählen mehrschichtige Keramiken und Kunststoffe mit kleinen äquivalenten Serieninduktivitäten und -widerständen. Keramikkondensatoren sind einfacher zu bekommen. Tantalkondensatoren werden häufig als allgemeine Niederfrequenz-Entkoppler verwendet, sind jedoch nicht für die lokale Entkopplung geeignet.

Tabelle 1 zeigt typische ESL-Werte für verschiedene Arten von Kondensatorgehäusen. Die Größe ist das entscheidende Element der äquivalenten Serieninduktivität – typischerweise hat ein kleinerer Kondensator einen niedrigeren ESL-Wert bei gleichem Kapazitätswert. Kondensatoren mit hohen ESL-Werten sind für den Einsatz als Entkopplungselemente nicht geeignet.

Im Allgemeinen besteht die richtige Strategie darin, nach einem Kondensator mit der größten Kapazität und den kleinsten Gesamtabmessungen zu suchen (dies gilt nur aus ESL-Sicht, ist jedoch nicht immer korrekt aus der Sicht eines anderen wichtigen Parameters von Kondensatoren – der Dielektrizität). Absorption - Anmerkung des Übersetzers). Allerdings müssen Sie bei dieser Wahl vorsichtig sein. Die Höhe des Kondensatorkörpers hat einen ziemlich großen Einfluss auf die ESL. Für überlappende ESL-Bereiche in Tabelle 1 ist es möglich, ein Gehäuse mit einem kleineren PCB-Footprint auszuwählen. Der Wert von ESL kann jedoch groß sein. Daher ist es bei der Auswahl eines Kondensatortyps notwendig, sich an den Parametern des Herstellers zu orientieren, um die beste Kompromissoption zu ermitteln.

3. LEITERINDUKTION

Bei der Verdrahtung von Komponenten und Schaltkreisen ist die Induktivität das Haupthindernis für eine gute Entkopplung. Mit sehr groben Näherungen können wir davon ausgehen, dass die Induktivität eines Pfades mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm auf dem FR-4-Material etwa 9 pH pro 0,025 mm Länge beträgt. Die Induktivität einer einzelnen Durchkontaktierung beträgt etwa 500 pH und hängt von der geometrischen Konfiguration ab.

Die Induktivität ist proportional zur Länge. Daher ist es wichtig, die Länge des Leiters zwischen den Komponentenanschlüssen und dem Entkopplungskondensator zu minimieren. Die Induktivität ist umgekehrt proportional zur Leiterbahnbreite, daher sind breite Leiter schmalen vorzuziehen.

Denken Sie daran, dass der aktuelle Pfad immer eine Schleife ist und diese Schleife minimiert werden muss. Eine Verringerung des Abstands zwischen der Stromleitung der Komponente und der Leitung des Kondensators verringert möglicherweise nicht die Gesamtinduktivität. Wie platziere ich den Kondensator richtig? Näher am Stromanschluss der Komponente? Oder näher am Ausgang der Erde? Oder in der Mitte zwischen diesen Schlussfolgerungen? Einige Quellen empfehlen, den Kondensator in der Nähe des Anschlusses zu platzieren, der am weitesten von der Stromversorgung oder Erde entfernt ist.

4. VERKABELUNGSOPTIONEN DER KONDENSATOREN

Für den effizienten Betrieb von Entkopplungsschaltungen ist eine gute Verkabelung äußerst wichtig. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, sind Kondensatoren mit einem effektiven Serieninduktivitätswert von weniger als 1 nH durchaus erschwinglich. Durch die Zugabe von nur 2 nH verdreifacht sich der ESL-Wert des Kondensators. Abbildung 4 zeigt die Änderung der Eigenresonanzfrequenz und den Anstieg der integralen Reaktanz, wenn 2 nH Leiterinduktivität zur Selbstinduktivität (0,8 nH) eines 4,7 nF-Kondensators hinzugefügt werden.

Abbildung 5 zeigt verschiedene Methoden zum Platzieren und Anschließen eines Entkopplungskondensators. Der Einfachheit halber zeigen die Diagramme nur die Kondensatoranschlüsse und den Leistungsanschluss der aktiven Komponente. Besondere Aufmerksamkeit muss auch der Verbindung zwischen dem Kondensatoranschluss und der gemeinsamen Stromversorgung der Komponente gewidmet werden.

Abbildung 5A zeigt die gängigste Verkabelungskonfiguration. Der Power-Pin der Komponente ist über einen kurzen Leiter über ein Via-Loch mit dem Power-Bus in der Innenschicht verbunden. Der Entkopplungskondensator, der sich auf der anderen Seite der Platine befindet, ist über ein Loch mit derselben verbunden. Obwohl bei diesem Ansatz häufig die Einfachheit des Routings im Vordergrund steht, ermöglicht er einen effizienten Betrieb der Entkopplungsschaltungen und spart Platz beim Routing. Zwei einzelne Löcher fügen der Entkopplungsschaltung etwa 1 nH parasitäre Induktivität hinzu.

Wenn sich der Kondensator 50 mil (1,27 mm) vom Bauteilanschluss entfernt befindet, beträgt die zusätzliche Induktivität bestenfalls etwa 0,9 nH. Wenn der Kondensator weiter von der aktiven Komponente entfernt platziert wird, werden die Leiter länger und die parasitäre Induktivität größer.

Möglichkeit B stellt eine deutliche Verbesserung dar Option A wobei der Entkopplungskondensator und die aktive Komponente auf einer Seite der Leiterplatte platziert sind. Der Kondensator wird nach der parasitären Induktivität der Durchkontaktierung angeschlossen. Bei ausreichend kurzen Leitern führt die Entkopplungsschaltung zu einer zusätzlichen parasitären Induktivität von weniger als 1 nH.

Möglichkeit D ist eine Weiterentwicklung von Option A – um die Selbstinduktivität zu reduzieren und die verteilte Kapazität zu erhöhen, werden die Leiter breiter gemacht, was auch die Eigenschaften des Entkopplungskreises verbessert.

Möglichkeit E - Modifikation von Option B mit breiteren Leitern und besseren Eigenschaften.

Option C scheint auf den ersten Blick für die Verdrahtung von Entkopplungsschaltungen völlig ungeeignet zu sein, da es keine Leiter gibt, die das aktive Bauteil direkt mit dem Entkopplungskondensator verbinden; Tatsächlich sind beide über Löcher mit den Strom- und Erdungspolygonen verbunden, die sich in den inneren Schichten befinden. Bei vier Löchern wird den Entkopplungskreisen eine parasitäre Induktivität von mindestens 2 nH hinzugefügt. Allerdings führen sehr breite Strom- und Erdungsleiter praktisch zu keiner Induktivität, wenn die Länge nicht sehr groß ist. Diese Verdrahtungsmöglichkeit eignet sich, wenn der Entkopplungskondensator nicht nah genug an der aktiven Komponente platziert werden kann.

Variante F - Verbesserung von Option C durch Hinzufügen zusätzlicher paralleler Löcher. Dieser Zusatz reduziert die parasitäre Induktivität von Durchkontaktierungen um den Faktor zwei, verbessert die Schaltungsleistung und sollte verwendet werden, wann immer der Platz es zulässt.

5. VERWENDUNG VON VERBUNDKONDENSATOREN

Da sich bei Parallelschaltung Kapazitäten addieren und die resultierende Induktivität abnimmt, kann die Parallelschaltung zweier kleiner Kondensatoren mit gleichen Kapazitätswerten zu einem qualitativen Gewinn im Vergleich zur Verwendung eines großen Kondensators führen. Das Endergebnis wird die gleiche Entkopplungskapazität und weniger parasitäre äquivalente Serieninduktivität sein.

In der Praxis wird der Einsatz von Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten zur Herstellung einer örtlichen Entkopplung meist vermieden. Verbundkondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten weisen eine Frequenzabhängigkeit der Impedanz auf, die sich aus der Summe der Frequenzabhängigkeiten der Impedanzen der einzelnen Kondensatoren ergibt. Ein Beispiel ist in Abbildung 6 dargestellt.

Zur Isolierung niedriger Frequenzen wird ein 47-nF-Kondensator und zur Isolierung hoher Frequenzen ein 150-pF-Kondensator verwendet. Auf den ersten Blick könnte man annehmen, dass eine Parallelschaltung dieser Kondensatoren die Impedanzeigenschaften verbessern würde.

Leider ist es nicht. Eine solche Verbindung kann bei Frequenzen zwischen den Eigenresonanzfrequenzen der Kondensatoren erhebliche Probleme verursachen. Abbildung 7 zeigt, dass die Kombination zweier Kondensatoren eine antiresonante Spitze (und damit einen erhöhten Widerstand) im Gesamtfrequenzgang erzeugt.

Die Ursache dieses Problems lässt sich leicht anhand des in Abbildung 8 gezeigten Ersatzschaltbilds identifizieren. Das Ergebnis der Verbindung der parasitären Komponenten der Kondensatoren ist ein klassischer Resonanzkreis.

In Präzisionsschaltungen werden jedoch häufig Verbundkondensatoren als Entkopplungselemente eingesetzt. In diesem Fall muss die Auswahl der Kondensatoren mit großer Sorgfalt erfolgen und Schaltkreise simuliert werden, die alle parasitären Komponenten enthalten.