Разница: фильтр низких частот и большой конденсатор?

8

При работе с микроконтроллерами рекомендуется размещать фильтрующие / развязывающие конденсаторы между контактом питания и заземлением. Я понимаю цель этой реализации, а именно то, что напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться, но каковы выдающиеся различия между единичным конденсатором и фильтром нижних частот?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Например, если бы я хотел, чтобы обеспечить мое Опорное напряжение АЦП чистый питания для сравнения входного напряжения против, я мог либо понять, низкочастотный фильтр, чтобы отвергнуть высокочастотные колебания или просто вставить соответствующие размеры конденсатора.

Моя непосредственная мысль состоит в том, что начальная потребляемая мощность сингулярного конденсатора может на мгновение превысить максимальную номинальную мощность MCU, но с резистором этот ток будет ограничен. Не будет ли это с ФНЧ (с резистором), который можно было бы спроектировать так, чтобы выходное сопротивление фильтра было бесконечным, чтобы не загружать АЦП? Точно так же один конденсатор обеспечит достаточную фильтрацию напряжения, но не приведет ли это к низкому выходному сопротивлению?

Каковы плюсы и минусы каждой реализации фильтрации, и когда дизайнер должен использовать один или другой?

Есть еще мысли?

sherrellbc
источник

Ответы:

12

Крышка рядом с выводом питания предназначена не для защиты детали от шума, а для предотвращения ее генерации, поскольку логическое переключение вызывает быстрые изменения тока питания. В идеале крышка должна обеспечивать мгновенные требования к большему току, не увеличивая ток вплоть до источника питания.

Сумма импедансов на стороне блока питания - внутренний импеданс блока питания плюс индуктивность, сопротивление и емкость трасс или плоскостей - достаточна для того, чтобы обеспечить некоторую фильтрацию нижних частот на входной стороне крышки. Я думаю о кепке как о крошечном источнике питания, который может отвечать требованиям с полосой пропускания в диапазоне нескольких МГц. Большие регуляторы, которые питают полную цепь, реагируют слишком медленно, и крышка является временным источником питания, который заменяет или обходит (или разъединяет) блок питания. Размещение колпачка рядом с выводом питания на микросхеме минимизирует сопротивление и индуктивность, которые замедляют реакцию.

Части CMOS потребляют большую часть своей мощности при переключении состояния. Для микропроцессоров это означает, что по краям часов, а потребление тока происходит небольшими быстрыми скачками. Размер шипов меняется так же быстро, как и часы, так как каждая инструкция использует различные комбинации внутренних цепей. Представьте себе схему, используемую при проверке регистра на ноль в сравнении с получением данных из ОЗУ. Необходимая мощность колеблется с тактовой частотой. Чем больше изменяется ток, тем больше ограничение. Расчет правильного размера является вопросом оценки для большинства из нас, и керамическая крышка 0,1 мкФ настолько распространена, что это очень низкая стоимость. Конструкция конденсатора также вызывает озабоченность, а также изменение температуры. Некоторые могут реагировать быстрее, чем другие, а некоторые варьируются на 80% в диапазоне коммерческих температур.

Их также называют обходными заглушками, потому что: 1) они могут «обойти» (короткие) высокочастотный шум блока питания на землю. 2) Они могут «обходить» блок питания и реагировать на высокочастотные требования к мощности.

Также называется «разъединяющими колпачками», более точным термином для высоких частот, так как они «разъединяют» потребность в мощности между деталью и блоком питания.

К. Таун Спрингер
источник
Я понимаю текущие возможности источника конденсатора, но я подумал, что это было скорее следствием более низкого приоритета при включении их в проект от VCC до GND. Я думал, что основная цель включения конденсатора состояла в том, чтобы отфильтровать высокочастотный шум, который провод мог уловить от источника питания / батареи до контакта VCC MCU. Идея заключается в том, что заряженный конденсатор будет поддерживать плавное выходное напряжение и замыкать на землю любые ВЧ колебания от источника питания. Какие конденсаторы «разъединяют» и как конденсаторы обходят блок питания?
sherrellbc
Под «суммой сопротивлений» вы подразумеваете полное сопротивление длины провода от крышки до источника питания? Кроме того, при каких условиях MCU требует больше тока? Конечно, будет разница, но будет ли она заметно изменится в ситуации, когда MCU праздно что-то делает по сравнению с более тяжелыми вычислениями?
sherrellbc
@sherrellbc Под «суммой импедансов» я подразумеваю внутренний импеданс блока питания (у него есть внутренний импеданс. Если бы вы могли точно согласовать его с импедансом цепи, на которую подается питание, вы получили бы наивысшую эффективность), плюс сопротивление и индуктивность следов PCB или силовых самолетов, и я уверен, что есть больше. Я отредактирую ответ.
С. Таун Спрингер,
7

Краткий ответ:

Один конденсатор хорош для подачи энергии, когда потребление энергии MCU быстро меняется. Фильтр RC используется для блокировки нежелательных высокочастотных сигналов.

Лоонг ответ:

Две разные схемы используются для разных целей. Как вы сказали, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.

Я уверен, что вы это знаете

  1. MCU требует минимального напряжения для работы
  2. MCU требует различного количества энергии во время работы

Поскольку мощность равна напряжению * ток (P = VI), а напряжение должно быть постоянным, то любое изменение мощности проявляется как изменение тока.

Для гипотетического дизайна с регулятором напряжения и MCU:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Скажем, мы удаляем C2:

схематический

смоделировать эту схему

(Извините за изменяющиеся схемы, я не создал учетную запись для этого сайта схемы, и мне нужно продолжать перерисовывать его)

Если бы регулятор напряжения, который подает питание на MCU, был безупречен и не было паразитной индуктивности или сопротивления трассировки, MCU потреблял бы различную величину тока, и регулятор не уменьшал бы и не повышал свое напряжение. К сожалению, в реальном мире печатная плата выглядит примерно так:

схематический

смоделировать эту схему

(Быстрое примечание: в этом контексте индуктор можно рассматривать как резистор на высокой частоте)

Из-за паразитной индуктивности от платы, сопротивления трассировки и того факта, что регуляторы не могут реагировать на потребление тока, изменяются мгновенно, напряжение будет падать и повышаться, когда MCU потребляет больше или меньше тока соответственно.

В качестве ссылки здесь приведен график из таблицы данных LM7805.

ST 7805

Переходный ответ LM7805

Это показывает конечное время отклика регулируемого выходного напряжения LM7805 (треугольник опускается и выпирает в нижней строке) по мере увеличения и уменьшения нагрузки. Если бы регулятор был безупречен, то «Отклонение напряжения» не пошло бы вверх или вниз при относительно быстром увеличении или уменьшении тока.

Я понимаю, что сначала пускать катушки индуктивности может быть немного сложно, поэтому для простоты вы можете заменить индуктор в приведенной выше схеме резистором и добавить два резистора вместе, и у вас есть резистор между регулятором и MCU. Это плохо, потому что V = IR, и чем больше ток потребляет MCU, тем больше будет падение напряжения на резисторе. (Я объясню больше о том, что эти резисторы делают ниже, когда я говорю о RC-фильтрах.

Вернуться к оригинальному дизайну. Обходной конденсатор установлен как можно ближе к MCU, чтобы все индуктивности и сопротивления, обнаруженные на печатной плате, и тот факт, что регулятор не может реагировать мгновенно, не влияют на уровень напряжения на MCU.

Для вашей второй (RC) цепи

схематический

смоделировать эту схему

Причина, по которой резистор не следует добавлять для обхода MCU, заключается в том, что напряжение на резисторе относительно тока, протекающего через него. Это важно, потому что если MCU работает при 5 В и потребляет ток 10 мА (работает без каких-либо действий), то на этом резисторе наблюдается падение напряжения:

R * 10 мА = Vdrop

Таким образом, если у вас есть резистор 50 Ом, вы бы упали на 0,5 В, это может привести к сбросу MCU.

Фильтр нижних частот, такой как RC-фильтр, который вы там создали, не годится для подачи питания, но полезен для фильтрации высокочастотных составляющих сигнала.

Это отлично подходит для сигналов, которые считываются с АЦП, потому что АЦП может производить выборку только с определенной частотой, поэтому, если сигнал изменяется со скоростью, большей чем высокочастотные сигналы (на самом деле половина скорости по теореме Найквиста ) будет отображаться как случайный шум, поэтому его лучше удалить с помощью фильтра RC.

В качестве примера скажем, что у вас есть АЦП, который производит выборку со скоростью 10 кГц

и вы хотите прочитать аналоговый датчик, который изменяется только с частотой 1 кГц, тогда вы можете настроить свой RC-фильтр для фильтрации сигналов с частотой более 5 кГц (вы, вероятно, не хотите начинать фильтрацию с частотой 1 кГц, поскольку RC-фильтр имеет небольшой величина затухания ниже частоты, на которой он предназначен для фильтрации.

Таким образом, для разработки RC-фильтра вы можете использовать резистор:

330 Ом и емкость 0,1 мкФ

Вот отличный калькулятор, если вам нужно решить эту проблему для любых других частот:

Удивительный калькулятор RC

Я надеюсь, что я остался в теме достаточно, чтобы ответить на ваш вопрос.

Дейв
источник
Откуда берется паразитная индуктивность? Я думал, что индуктивность является продуктом только катушек в проводах. Следы PCB линейны, подумал я.
sherrellbc
Какое влияние это окажет на эффективность конденсатора, если он будет расположен дальше от MCU?
sherrellbc
This is bad because V=IR and the more current the MCU draws the more of a voltage drop will be seen across the resistor.Разве этот дополнительный ток не будет получен из C2 (при условии, что он присутствует)? И как бы вы приблизили величину тока или времени потребления, доступного от C2, так, чтобы напряжение на конденсаторе не изменилось? Кроме того, какова цель C1?
sherrellbc
1
@sherrellbc - Если конденсатор был расположен дальше от MCU, то вы можете увидеть больше переключающего шума, генерируемого MCU. По сути, вы вставляете очень, очень маленький индуктор и резистор последовательно между крышкой фильтра и MCU, что не позволяет крышке фильтра выполнять свою работу так же эффективно.
TimH - Codidact
1
Чтобы ответить на ваш вопрос «Откуда берется паразитная индуктивность?» Все следы, компоненты и переходные отверстия имеют паразитную индуктивность. Индуктивность - это свойство проводника, при котором изменение тока в проводнике создает напряжение как в самом проводнике, так и в любых соседних проводниках индукторов Википедии . Это определение ничего не говорит о катушке. След - это проводник, поэтому индуктор, индуктор с катушками - это просто особый случай, когда значение индуктивности более точно контролируется.
Дэйв
2

Разница заключается в том, что размещение только конденсатора зависит как от сопротивления источника питания, так и от сопротивления источника питания микросхемы, чтобы составить остальную часть фильтра нижних частот. То есть оба экземпляра создают ФНЧ, явный резистор просто для его настройки.

Игнасио Васкес-Абрамс
источник
Понимаю. Я не рассматривал булавки. Как будет конденсатор взаимодействовать с моделями выводов ввода-вывода и как можно рассчитать импеданс выводов (будет ли он называться выходом или входом?) Для точной настройки ФНЧ?
sherrellbc
Вы можете получить общее представление о нагрузке, взглянув на требования к току питания вашей цепи. Это будет зависеть от переключения транзисторов, но в целом вы хотите, чтобы частота спада не превышала нескольких десятков герц или около того. Для небольших цепей может подойти только конденсатор, но для больших цепей обычно требуется индуктор (а не резистор) для поддержания фильтрации.
Игнасио Васкес-Абрамс
Что подразумевается под частотой спада в этом контексте? И катушка индуктивности будет использоваться для фильтрации тока, поскольку конденсатор фильтрует колебания напряжения?
sherrellbc
Частота спада обычно составляет -6 дБ . Цепь LC может действовать как ФНЧ, причем каждое устройство отвечает за устойчивость своего соответствующего компонента.
Игнасио Васкес-Абрамс
1

Вы правы. Это техника развязки, и мы должны следовать рекомендациям производителей. Типичная развязка состоит из:

-> Большой электролитический конденсатор (10 ~ 100 мкФ) на расстоянии не более 5 см от микросхемы. Целью этого конденсатора является подача «локально» требований к мгновенному току, избегая получения этой мощности от главной цепи питания и их сопротивления. o Это конденсатор с низким ESR. -> Конденсатор меньшего размера (0,01 мкФ - 0,1 мкФ) ближе к выводам питания микросхемы, насколько это возможно, для вывода высокочастотных компонентов из микросхемы. Оба конденсатора должны быть подключены к заземлению большой площади на печатной плате для минимальной индуктивности. -> Ряд с ферритовым слоем с выводом Vcc IC, чтобы уменьшить EMI к и от этой IC.

Как вы можете судить, выше приведены общие методы для линейных и цифровых ИС. Но RC-фильтр, который вы рисуете, предназначен для развязки цифровых микросхем. Изменения в состоянии цифровых затворов приводят к колебанию напряжения PS из-за следов полного сопротивления. Высокочастотный шум можно минимизировать с помощью топологий RC или LC. В LC-фильтре шум появляется на катушке, а не в микросхеме или в цепи питания. Он обеспечивает очень эффективную фильтрацию, но имеет резонансную частоту, которая может излучать электромагнитные помехи. Ферритовый слой можно использовать вместо индуктора. введите описание изображения здесь

Фильтр RC, о котором вы упоминаете, преобразует шум в тепло и, как таковой, рассеивается. Дело в том, что резистор вводит падение напряжения в подаваемом напряжении. С другой стороны, RC-фильтр дешевле. Иногда вы можете найти сопротивление намотки провода вместо индуктора

Выше приведены рекомендации Silicon Labs и Analog Devices.

GR Tech
источник
К radiateвы имеете в виду возможность того, что LC фильтр может испускать ЭМИ и вызывать помехи на какой - то компонент жертвы поблизости?
sherrellbc
Правильно. Например, развязывающая сеть с 100 мкФ и 1 мкГ резонирует при 16 кГц. Если эта частота появится в линии электропередачи, это вызовет проблему. Способ исправить это состоит в том, чтобы добавить небольшое сопротивление (т. Е. 10 Ом, близкое к IC) последовательно с катушкой для понижения Q или ферритовым слоем для частот выше 100 кГц. Метод развязки также зависит от типа используемого источника питания (линейный или коммутационный) и оказывает существенное влияние на спектр (проблемы SNR) и на форму сигналов (звон и т. Д.) В устройствах с тактовой частотой выше 1,5 ГГц и в 14- немного АЦП
GR Tech
0

Фильтр нижних частот используется для блокировки высокочастотных и шумовых сигналов выше определенной частоты. Резонанс возникает на этой частоте. Все сигналы выше резонансной частоты будут заземлены и о сингласуре конденсатора вы описали так же.

Фильтр RC используется вместо фильтра LC для экономической цели.

Мандалия Саурин
источник