Расчет разделительного конденсатора: Разделительный конденсатор — БилдоМан

Содержание

Разделительный конденсатор

Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обеспечить при этом свободное прохождение переменного тока. Электронные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.

В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.

Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление

Х_с конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если V_вх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение V_вых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.

1. Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетворительная связь но переменному току достигается, когда

Х_с = R/20, для R = 1 кОм получаем Х_с = 50 Ом.

Рис. 23.1. Установка разделительного Рис. 23.2. Влияние развязывающего конденсатора. конденсатора.

Указаны потенциалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).

Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Х_c = 1/2πfC₁, то

Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Х_c= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм

Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).

Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем меньше требуемая емкость разделительного конденсатора.

2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достигалась при

С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.

Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом условия Хс = R/20 = 50Ом получаем

Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ). .1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Конденсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Однако если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора

R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. ёмкость конденсатора С, обеспечивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлением резистора R и рабочей частотой — но тем же самым формулам, которые использовались для расчета емкости разделительного конденсатора.

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором

R^}. связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

10-50 мкФ. 0.01-0,1 мкФ.

для звуковых частот:

для радиочастот:

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с

развязывающим конденсатором С₃ в цепи эмиттера. Рис. 23.4. Инвертирование (изменение на 180°) фазы сигнала в усилителе с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R₄ в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиления до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R₄. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применяется эмиттерный развязывающий конденсатор С₃.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденсатора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокаскадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С₁на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение V_BEувеличивается, ток эмиттера I_e, а с ним и ток коллектора I_c, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе V_c. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала соответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой стороны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует положительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как показано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения V_BEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR₃, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о работе транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзистора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работающего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксировать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток I_c = 0, и точку Y на оси у, где V_c = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что V_c = V_CE.

Точка X. В этой точке ток транзистора I_c = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе V_c = V_CC.

Точка Y. Здесь коллекторное напряжение V_c = 0. Подставляя V_c = 0 в уравнение V_CC = V_c + V_R3, получаем V_CC = V_R3. Но V_R3 = I_c R₃, поэтому V_CC = I_c R₃. Следовательно,

I_c = V_CC / R₃.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Точка Х I_c = 0, V_c = V_CC = 10 В.

Точка Y V_c = 0, I_c = V_CC/ R₃ = 10/3,3 = 3 мА.

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением R₃ = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХY_a. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение V_СС остается тем же самым — 10 В. Для точки Y_b получаем I_c = V_CC / R₃ = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХY_b с точкой Y_b при I_c = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

I_b = 20 мкА, I_c = 1,5 мА, V_c = 5 В.

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сигнала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока I_c с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией I_b = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией I_b = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого усилителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием передаточной характеристики.

Любая попытка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстрируется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть также представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линейным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.

Добавить комментарий

Выбор выходного разделительного конденсатора

Выходной разделительный конденсатор предотвращает короткое замыкание источника ВН на нагрузку (следующий каскад усиления). Он одновременно является выходным для данного каскада, а также входным для следующего, предохраняя как источник ВН, так и входные цепи следующего каскада.

Прежде всего, следует отметить, что этот конденсатор должен выдерживать анодное напряжение, приложенное к нему. Однако, рабочее напряжение этого конденсатора следует выбирать с запасом. Современные усилители часто построены с использованием полупроводниковых кремниевых выпрямителей ВН. Это означает, что в момент включения, катоды электронных ламп холодные, что является причиной нулевого тока анода. Так как полупроводниковый источник ВН в прогреве не нуждается, практически мгновенно выдает максимальное напряжение и при этом оказывается без нагрузки, напряжение на анодах ламп нарастает до максимально возможного значения ВН, и именно это напряжение будет приложено непосредственно к выводам разделительных конденсаторов.

Если при этом разделительные конденсаторы будут пробиты, то электронные лампы начинают перегреваться, поскольку большое положительное напряжение, будучи поданным на их сетки, вызывает анодный ток, превышающий номинальный в десятки раз. Электронные лампы при этом попросту разрушаются.

Использование конденсаторов, рассчитанных на более высокое напряжение, может быть более дорогостоящим, но приобретение более дорогих конденсаторов всегда дешевле, чем необходимость замены дорогостоящих электронных ламп (или громкоговорителей).

В принципе, всегда есть возможность снизить требования к рабочему напряжению разделительных конденсаторов, — это исключить подачу ВН до полного прогрева нитей накала ламп. Таким образом, необходима задержка включения полупроводникового выпрямителя ВН, либо применение лампового, поскольку нити накала вакуумных диодов (кенотронов) прогреваются достаточно долго. Более того, на нити накала маломощных ламп (каскадов предварительного усиления) накальное напряжение зачастую подается сразу после включения шнура питания усилителя в сеть, независимо от положения выключателя питания.

Теперь нужно выбрать величину емкости разделительного конденсатора. От величины той емкости зависит реактивное сопротивление конденсатора, которое, еще раз напомним, максимально в области низких частот. Таким образом, этот конденсатор будет определять АЧХ усилителя в области низких частот. Разумеется, на самой нижней рабочей частоте усилителя, реактивное сопротивление этого конденсатора должно быть в десятки (25—50) раз меньше, чем выходное сопротивление предыдущего каскада и входное сопротивление последующего каскада. В качестве разделительных конденсаторов в усилителях звуковых частот обычно используются либо полимерные, либо бумажные конденсаторы, величины емкостей которых достаточно устойчивы.

Часто величину емкости разделительного конденсатора берут примерно равной величине блокировочного конденсатора в цепи катодного автосмещения. Также нельзя не отметить, что рассматриваемый разделительный конденсатор образует RC фильтр с резистором, установленным в цепи сетки следующего каскада. Как и в цепи катодного автосмещения, частота среза этого фильтра должна выбирается с запасом — то есть около 2 Гц. Кстати, существуют и «традиционные» значения этих элементов: резистор в цепи сетки следующего каскада сопротивлением 1 МОм и разделительный конденсатор емкостью 0,1 мкФ образуют фильтр, в котором частота среза по уровню —3 дБ равна 1,6 Гц. В некоторых современных разработках используются и другие решения, которые будут рассмотрены позже.

Комплексный расчет, анализ и моделирование многокаскадного усилителя, страница 3

Рисунок 1.1 – Электрическая принципиальная схема усилителя

Согласно рис.1.1 усилитель состоит из двух каскадов. Входной каскад выполнен на основе биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Каскад обеспечивает усиление входного сигнала по мощности и работает в режиме класса А.

Выходной каскад собран на базе полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком, и также обеспечивает усиление сигнала по мощности. Каскады соединены между собой посредством разделительного конденсатора. Входной и выходной сигналы усилителя поступают на базу VT1 и снимаются со стока VT2 также через разделительные конденсаторы. Усилитель работает в режиме усиления малого сигнала.

1.2 Описание принципов и особенностей функционирования объекта проектирования

На рисунке 1.2 представлена обобщенная эквивалентная схема усилителя.

Рисунок 1.2 – Обобщенная эквивалентная схема

Входной сигнал через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1. Конденсатор С1 препятствует шунтированию входа усилителя малым внутренним сопротивлением источника сигнала.

Согласно рис.1.2 входное сопротивление усилителя определяется параллельным соединением сопротивлений резистивного делителя R1—R2, а также сопротивлением со стороны базы транзистора. Если транзистор VT1 открыт, то сопротивление со стороны базы определяется суммой резистора R3 и малого сопротивления эмиттера, зависящего от температуры и коллекторного тока. Сопротивление базы Rb как правило мало, и им можно пренебречь.

Если потенциал коллектора больше потенциала эмиттера на несколько десятых долей вольта, переход база-эмиттер открыт, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, то ток коллектора в h31 раз больше тока базы.

Выходное сопротивление каскада определяется параллельным соединением сопротивления в цепи коллектора Rk и сопротивления диода коллектор-база – рисунок 1.3. Так как сопротивление диода, смещенного в обратном направлении, достаточно велико (сотни кОм и более), при расчете схемы им можно пренебречь. Выходное сопротивление каскада равно Rk.

Рисунок 1.3 – Режим работы каскада на биполярном транзисторе

Далее сигнал передается через разделительный конденсатор на вход каскада на полевом транзисторе – рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 – Режим работы каскада на полевом транзисторе

Входное сопротивление данного каскада определяется сопротивлением R5, так как сопротивление транзистора со стороны затвора достаточно велико (сотни кОм и более). Емкостями затвор-исток, затвор-сток и сток-исток пренебрегаем, так как влияние их на низких частотах незначительно. Выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением резистора в цепи стока R7. Нагрузка к каскаду подключается через разделительный конденсатор С3.

1.3 Схемотехнический расчет объекта проектирования

Типовой оценочный расчет апериодического усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и использующего линейный режим работы – рисунок 1.3, выполняем в следующей последовательности:

1. Задаем необходимые для расчета параметры конкретного или обобщенного

идеализированного транзистора и усиливаемого сигнала:

а) минимальной частотой в спектре сигнала …………………………………….;

б) максимальной амплитудой сигнального напряжен………………………..;

4. Расчет и выбор блокировочных (разделительных) конденсаторов и индуктивностей. Расчет генератора с внешним возбуждением

Расчет многокаскадного усилителя реферат по радиоэлектронике

Курсовая работа по усилительным устройствам. ВАРИАНТ № 7 Выполнил: ст.гр.04 — 414 Уткин С.Ю. Проверил: Харламов А.Н. ЭТАП №1 Исходные данные для расчета . Еп=10 В; Rи=150 Ом; Rк=470 Ом; Rн=510; Сн=15 пФ ;Tмин=-30град; Тmax=50град; Требуемая нижняя частота : Fн=50 кГц. Используемый тип транзистора: КТ325В (Si ; N-P-N ; ОЭ) Нестабильность коллекторного тока — Параметры транзистора: Граничная частота — Fгр = 800Мгц. Uкбо(проб)=15В. Uэбо(проб)=4В. Iк(мах)=60мА. Обратный ток коллектора при Uкб=15В : Iкбо<0.5мкА (при Т=298К). Статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ: h31=70…210. Емкость коллекторного перехода: Ск<2.5пФ.(при Uкб=5В) rкэ(нас.)=40 Ом. Постоянная времени цепи обратной связи: F 0 7 4к<125 нс. Для планарного транзистора — технологический параметр = 6.3 Предварительный расчет. Исходя из значений Еп и Rк , ориентировачно выберем рабочую точку с параметрами Uкэ=4В и Iкэ=1мА. Типичное значение , для кремниевых транзисторов: Uбэ=0.65В. Uкб=Uкэ-Uбэ = 3.35В =2.857 пФ. =275Ом — Объемное сопротивление базы. Iб = Iкэ/h31 = 8.264e-6 — ток базы. Iэ = Iкэ — Iб = 9.9e-4 — ток эмиттера. rэ = 26е-3/Iэ = 26.217 — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. Параметр F 0 6 E = rэ/rб + 1/h31 = 0.103 (Нормированное относительно Fгр значение граничной частоты) Для дальнейших расчетов по заданным искажениям в области нижних частот зададимся коэффициэнтами частотных искажений . Пускай доля частотных искажений , вносимых на нижней частоте разделительным конденсатором Ср , окажеться в к=100 раз меньше чем конденсатором Сэ , тогда коэффициенты частотных искажений равны: Мнр = 0.99 , а Мнэ = 0.71( Определяются по графику) = 2.281е-8 Ф;- емкость разделительного конденсатора. Оптимальное напряжение на эмиттере выбирается из условия :Uэ = Еп/3, это позволяет определить величину Rэ. Rэ = =3.361е3 Ом; =3.361В — Напряжение на эмиттере. Rф=(Еп — Uкэ)/Iкэ — Rк — Rэ = 2.169е3 Ом;- сопротивление RC — фильтра в коллекторной цепи. Применение Н.Ч. — коррекции позволяет использовать разделительный конденсатор меньшей емкости. = 4.062е-9 Ф;- скорректированное значение разделительного конденсатора. = 9.551е-10 Ф; — емкость фильтра в цепи коллектора. = 7.889е-8 Ф;- Емкость эмиттера. Расчет цепи делителя , обеспечивающей заданную температурную нестабильность коллекторного тока. = 1.487е-6 А; — неуправляемый ток перехода коллектор-база. =0.2 В; -сдвиг входных характеристик . =3.813е-5 А. -ток делителя. = 1.052e5 Ом =1.291e5Ом Номиналы элементов, приведенные к стандартному ряду. Rф=2.2е3 Ом; Rэ=3.3е3Ом; Rб1=1е5Ом ; Rб2=1.3е5 Ом; Cр= 4е-9 Ф; Cф= 1е-9 Ф; Cэ=7е-8Ф; Оценка результатов в программе «MICROCAB» 1. Оценка по постоянному току. 2.1А.Ч.Х. — каскада. 2.2 А.Ч.Х. — по уровню 07. Реализуемые схемой — верхняя частота — Fв = 2.3Мгц и коэффициент усиления К = 22Дб = 12.6 ЭТАП №2 Задание: Обеспечить за счет выбора элементов либо модернизации схемы увеличение К в два раза(при этом Fв — не должно уменьшаться) и проверить правильность расчетов на Э.В.М. РАСЧЕТ. Требования к полосе частот и коэффициенту усиления: К = 44Дб = 158 Fн =50 Кгц Fв =2.3Мгц

Источники питания с разделительными конденсаторами.

В радиолюбительской практике иногда возникают условия, когда нет необходимости изготавливать сложные блоки питания, так как устройства не требуют большой мощности потребления от сети ~220В, а также у каждого радиолюбителя имеются в наличии трансформаторы с поврежденной частью обмотки ~220В, но имеющие отводы на другие напряжения ~127 и ~110В. Данный материал поможет радиолюбителям повторно использовать для своих конструкций «вышедшие из строя» трансформаторы, что в конечном итоге сэкономит время, чем производить поиск подходящего трансформатора или его намотку.

В микромощных источниках питания с гальванической связью с промышленной сетью обычно применяются т.н. разделительные конденсаторы, которые представляют собой не что иное, как шунтирующие сопротивления, включаемые последовательно в цепь питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, которое зависит от частоты и называется реактивным.

Емкость разделительного конденсатора при условии применения в промышленной — сети ~220В, 50 Гц можно рассчитать по следующей формуле:

С = 3200*I/ЦU²c — U² , где:

С — емкость конденсатора, мкФ;
I — ток, протекающий через конденсатор. A;
Uc — напряжение сети. В;
U — напряжение на входе стабилизатора (устройства). В.

В случае если вторичное напряжение не превышает 10% напряжения в сети, с достаточной точностью емкость можно рассчитать по формуле:

C = 3200 * I/Uc

Расчет для примера:

Вы хотите изготовить зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов 12В емкостью 1А/ч, которое вы хотите запитать от сети ~220В, 50 Гц через разделительный конденсатор. По требованию завода изготовителя для никель-кадмиевых аккумуляторов зарядный ток должен составлять 10% от номинала, а т.е. 100 мА в нашем случае.

Далее, учитывая падение напряжения на стабилизаторе порядка 3 — 5В, получаем, что на входе зарядного устройства необходимо обеспечить напряжение ~18В при рабочем токе 100 мА.

Подставляя эти данные, получаем:

по первой формуле: C = 3200*0,1/Ц220² * 18² = 1,46 мкФ
по второй формуле: С = 3200*0,1/220 = 1,45 мкФ

Таким образом, выбираем С = 1,5 мкФ с удвоенным рабочим напряжением 500В к примеру могут применяться конденсаторы типов: МБМ, МГБП, МБТ и т.д. в зависимости от наличия и возможностей радиолюбителей.

Полная схема зарядного устройства с разделительным конденсатором приведена на рис.1. Устройство пригодно для зарядки аккумуляторов током не более 100 мА при напряжении заряда не более 15В. Подстроечным резистором R2 устанавливают необходимое значение напряжения заряда. R1 выполняет роль ограничителя тока в начале заряда, а выделяемое на нем напряжение подается на светодиод. По интенсивности свечения светодиода можно судить — насколько разряжена АКБ.

Рис.1.

При эксплуатации этого источника питания, а так же любых других источников питания без гальванической развязки с сетью необходимо помнить о мерах безопасности.

Предупреждение: Устройство и заряжаемая батарея все время находятся под потенциалом промышленной сети. В некоторых случаях такие ограничения делают невозможной нормальную эксплуатацию устройств, поэтому приходится обеспечивать гальваническую развязку ИП от сети.

Маломощный источник питания с разделительным конденсатором, но с гальванической развязкой от промышленной сети можно изготовить на основе переходного трансформатора, сетевого трансформатора имеющего поврежденную часть обмотки на ~220В, но имеющего отводы на ~127 и ~110В или реле магнитного пускателя и т.д., причем их рабочее напряжение может быть и ниже ~220В. На рис.2 показана принципиальная схема такого источника питания.

Рис.2.

Емкость разделительного конденсатора рассчитывается с учетом параметров трансформатора, а т.е., зная коэффициент трансформации, сначала рассчитывают напряжение, которое необходимо обеспечить на входе трансформатора, а затем, убедившись в допустимости такого напряжения для применяемого трансформатора, рассчитывают параметры конденсатора.

Мощность, отдаваемая таким источником питания, вполне может питать квартирный звонок, приемник, аудиоплеер и т.д.

Материал подготовил Ю. Замятин, (UA9XPJ).

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.
При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.
Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.
Простейшая схема данного БП выглядит так:
Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.
Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.
И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.
Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.
Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.
Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.
На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.
Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.
Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.
У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.
С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.
С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.
С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21
А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.
Такие конденсаторы могут выглядеть и так
А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.
Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.
Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.
Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.
Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link
На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.
Эту страницу нашли, когда искали:
гасящий конденсатор для лампы 11 вт, емкость 2мкф 220в 10вт, расчёт конденсатора для диодного моста онлайн, гасящего конденсатора в цепи переменного тока расчёт, емкость гасящего конденсатора для включения тиратрона мтх 90 в сеть 235в, простой бп конденсаторный 220 \18в, напряжение сети 24 вольт какой конденсатор нужен для стабилизации, как подобрать фильтрующие конденсаторы блока питания, гасящий конденсатор в цепи переменного тока трансформатора, выпрямители с гасящим конденсатором расчет, расчет ограничительного резистора для конденсатора, подобрать конденсатор для цепи 220 вольт, для чего ставят гасящий конденсатор, rfr gjlj,hfnm rjyltycfnjh yf ,kjr gbnfybz 10 fvgth, rasciot beztransformatornogo istochnika pitanija, чему равна емкость гасящего конденсатора с в схеме на рис.1, если напряжение на входе uвх = 220 в, требуемое напряжение на выходе uвых = 60 в, частота сети переменного тока fс = 50 гц, а мощность в нагрузке rн составляет 20 вт, чему равна емкость гасящего конденсатора с в схеме, как рассчитать сколько нужно мкф 16в. что из импульсного тока в постоянный, конденсатор как гасящее сопротивление рассчитать емкость конденсатора, чему равна емкость гасящего конденсатора с в схеме на рис.1, если напряжение на входе uвх = 220 в, требуемое напряжение на выходе uвых = 60 в, частота сети переменного тока fс = 50 гц, а мощность в нагрузке rн составляет 20 вт?, расчет конденсаторов источник питания, подбор конденсаторов для стабилизации, запитан через конденсаторы, рассчитать делитель 220 на 110 10 ватт при помощи конденсаторов, гасящий конденсатор на постоянном токе
Выбор размера развязывающего конденсатора для обеспечения целостности питания
Выбор размера развязывающего конденсатора для обеспечения целостности питания
Автор: ZM Peterson & bullet; 10 декабря, 2019
Целостность питания — это больше, чем просто модное слово, это критически важно в системах низкого напряжения, в которых используются цифровые ИС с большим числом затворов, а также в аналоговых системах, работающих на более высоких частотах.Развязка является важным аспектом целостности питания, и типичный метод обеспечения стабильного питания цифровых ИС, таких как ПЛИС и микроконтроллеры, заключается в использовании одного или нескольких разделительных конденсаторов.
Использование развязывающего конденсатора в изоляции, то есть без близко расположенных слоев питания и заземления, в прошлом было приемлемым, особенно в системах с более медленным временем нарастания и более низкими частотами. Устройства с аналоговыми сигналами микроволны / миллиметрового диапазона и цифровые системы с изломами частот, достигающими уровней миллиметровых волн, требуют гораздо большей развязки по сравнению с более медленными системами.Прежде чем мы перейдем к выбору разделительного конденсатора правильного размера для вашей системы, полезно узнать точную функцию разделительного конденсатора. Как мы увидим, развязывающий конденсатор ничего не «развязывает»; его задача — действовать как большой резервуар для заряда. Помните об этом, чтобы определить правильный размер развязывающего конденсатора.
Зачем нужен развязывающий конденсатор?
Источники питания — не идеальные системы. Импульсные регуляторы предназначены для обеспечения стабильной выходной мощности без остаточных пульсаций от преобразования AC-DC или DC-DC.Любой шум, исходящий от вашего источника питания, может привести к значительному снижению производительности последующих ИС. Некоторые примеры включают уменьшение запаса шума и повышенное дрожание. Кроме того, когда нижестоящая ИС с большим числом затворов переключается, на шине питания появляется переходный отклик. Это проявляется в виде всплеска тока и, как правило, недостаточно затухающих колебаний (звона) на шине питания, что может привести к снижению напряжения, воспринимаемого ИС. Это также вызывает прохождение большого встречного тока через землю, что приводит к падению напряжения на выходе, известному как отскок заземления.
Этот звонок на шине питания неизбежен, поскольку он происходит, когда нижестоящая ИС переключается и потребляет большой ток от источника питания. Источник питания не может действовать мгновенно, чтобы обеспечить заряд, необходимый для IC. Это означает, что разработчик должен включить какой-то другой способ обеспечения заряда и тока, требуемых для ИС, чтобы гарантировать, что напряжение на шине питания остается стабильным.
Один из наиболее распространенных способов снижения шума на шине питания — это размещение конденсатора очень близко к ИС.Этот конденсатор называется развязывающим конденсатором; его работа заключается в том, чтобы действовать как резервуар заряда, и конденсатор разряжается при переключении ИС, обеспечивая некоторый ток к находящейся ниже по потоку ИС. Другими словами, развязывающий конденсатор предназначен для нейтрализации любых переходных колебаний тока на вашей силовой шине и любых остаточных коммутационных шумов от источника питания, чтобы эти колебания не влияли на напряжение, наблюдаемое нижестоящей ИС. Обратите внимание, что развязывающий конденсатор не является особым типом конденсатора; этот термин относится к функции конденсатора, а не к его конструкции.Технически любой конденсатор можно использовать для развязки, если он правильно подобран.
Определение размера развязывающего конденсатора
Требуемый размер развязывающего конденсатора может быть рассчитан с учетом импеданса вашей PDN и заряда, необходимого для последующей ИС. Аналоговые системы работают иначе, чем цифровые системы, и основная задача при выборе размера развязывающего конденсатора состоит в том, чтобы учесть влияние конденсаторов на PDN. Давайте сначала рассмотрим выбор развязывающего конденсатора для цифровой PDN, а затем рассмотрим аналоговые системы.
Цифровая развязка PDN
Определение требуемого размера и размещения развязывающего конденсатора является ключом к подавлению пульсаций и других источников шума в вашей PDN. В предстоящем обсуждении приведенная ниже формула действительна только в том случае, если ширина полосы вашего сигнала (0,35, деленная на время нарастания) на меньше, чем частота собственного резонанса развязывающего конденсатора . Самый простой способ определить размер развязывающего конденсатора — это определить заряд, необходимый для коммутирующей цифровой ИС на шине питания.Это можно легко вычислить, умножив максимально возможный ток, необходимый для ИС, на время нарастания сигнала. При требуемом напряжении ИС:
Ур. (1): Размер развязывающего конденсатора зависит от потребляемого тока во время переключения и желаемого напряжения IC.
Что касается PDN, вы можете также определить размер развязывающего конденсатора на основе наклона на первом резонансе PDN и желаемого импеданса PDN.Резонансная структура PDN должна быть измерена с помощью векторного анализатора цепей или смоделирована с использованием развертки частоты в имитациях после компоновки. Однако, если вы знаете свою резонансную структуру PDN, вы можете использовать желаемое значение импеданса PDN (необходимое уравнение см. В этой статье) для расчета общей развязывающей емкости, как показано на изображении ниже.
При возникновении конфликта между этими значениями лучше всего выбрать большее из двух значений, так как вы хотите обеспечить достаточный заряд для поддержки переключения.
Аналоговая развязка PDN
Стабилизаторы напряжения
предназначены для замены остаточных пульсаций от преобразования AC-DC или DC-DC на шум переключения PWM. Этот шум можно отфильтровать, но он все равно ухудшит выходной сигнал аналоговых микросхем. При рассмотрении обеспечения стабильного питания аналоговой ИС, развязывающий конденсатор будет постоянно заряжаться и разряжаться во время работы ИС. Одно простое уравнение для определения размера разделительного конденсатора показано ниже:
Ур.(2): Простое уравнение для определения емкости развязывающего конденсатора для аналоговых ИС.
В формуле. (2), ток, потребляемый ИС, имеет тенденцию быть монотонно возрастающей функцией напряжения и частоты ИС, поэтому увеличение обеих величин не обязательно означает, что требуется конденсатор меньшего размера.
Размер развязывающего конденсатора на основе импеданса PDN
Наилучший (и самый сложный) способ определить наилучший размер развязывающего конденсатора — использовать целевой спектр импеданса PDN.Обратите внимание, что спектр будет зависеть от значения развязывающей емкости и частоты, поэтому не существует простого уравнения в замкнутой форме, которое можно было бы использовать для расчета размера развязывающего конденсатора. Вместо этого у вас есть следующее трансцендентное уравнение:
Ур. (3): Размер развязывающего конденсатора зависит от требуемой пульсации напряжения, целевого импеданса PDN и целевого напряжения PDN.
Из этого уравнения можно увидеть, что более низкий целевой импеданс PDN требует большего размера развязывающего конденсатора.Обратите внимание, что целевой импеданс PDN и пульсации напряжения PDN будут функциями емкости, что делает эту задачу очень сложной для аналитического решения. Решение этой конкретной проблемы требует итеративного численного решения для определения значения C , в идеале с имитацией после макета. Насколько мне известно, не существует коммерческих решателей, решающих эту проблему. В любом случае, развязывающий конденсатор должен быть большего размера, чтобы обеспечить достаточный заряд для поддержки работающей ИС.
Ур. (3) также более точен, поскольку он может включать эффекты собственной резонансной частоты разделительного конденсатора и любые резонансы, возникающие из-за паразитных помех в вашей схеме. Паразиты очень важны, особенно паразитная индуктивность. В частности, для уменьшения индуктивности контура в блоке схемы с развязывающим конденсатором необходимо разместить развязывающий конденсатор рядом с соответствующей ИС. Кроме того, с низкоуровневыми ИС всегда следует использовать смежные плоскости питания и заземления, чтобы обеспечить достаточную межплоскостную емкость на плате.Это минимизирует пульсации напряжения на PDN во время работы ИС.
Что касается собственного резонанса, вам следует выбрать разделительные конденсаторы с достаточно высокими частотами резонанса в зависимости от полосы пропускания вашего сигнала или рабочей частоты. Когда вы попадаете в диапазон ГГц, вам следует искать у производителей микроволновых компонентов конденсаторы с высокими частотами собственного резонанса. Коммерчески доступные ВЧ-конденсаторы имеют частоты собственного резонанса, достигающие диапазона ГГц, что делает их идеальными для сверхбыстрых цифровых систем и сверхвысоких частот.Это очень важно, поскольку импеданс конденсатора будет казаться индуктивным за пределами собственной резонансной частоты, что приведет к увеличению импеданса PDN, что приведет к увеличению пульсаций напряжения.
Если вы ищете компетентную фирму, которая предлагает передовые услуги по проектированию печатных плат и маркетинговые услуги для компаний, производящих электронику, свяжитесь с NWES для консультации.

Готовы приступить к следующему дизайнерскому проекту?
Для чего нужен разделительный конденсатор?
Системный шум стал критической проблемой как для аналоговых, так и для цифровых устройств.Требование быстрых интерфейсов и более низкого энергопотребления привело к тому, что устройства чувствительны к помехам от силовых и сигнальных линий. Конденсатор развязки или байпасный конденсатор в цепи обеспечивает высокие переходные токи в ИС и снижает пульсации мощности. Такие конденсаторы размещаются рядом с выводами питания ИС.

Аналоговые схемы, такие как усилители звука, издают гудение или потрескивание во время работы, в то время как цифровые схемы, такие как микроконтроллеры, демонстрируют неустойчивое и непредсказуемое поведение.Это происходит из-за нестабильности входного напряжения. Любое устройство будет работать точно, если отклонения, такие как сбои, скачки напряжения и компоненты переменного тока, остаются в пределах допуска. Хорошая конструкция печатной платы должна обеспечивать плавное входное напряжение за счет устранения внутрисистемных шумов питания с помощью надлежащим образом размещенных развязывающих и байпасных конденсаторов.
Зачем нужна развязка?
Развязка обеспечивает низкоомный путь от источника питания до земли. Поэтому выбор конденсатора с низкой индуктивностью, но с высокой емкостью (с низким импедансом) очень важен.
Влияние емкостной связи на обратный ток.
На приведенном ниже графике показаны как положительные, так и отрицательные источники питания. Он показывает, как снижается коэффициент подавления источника питания (PSR) высокопроизводительного усилителя с частотой около 20 дБ / декаду. Примерно 90 дБ при постоянном токе, PSR быстро падает на более высоких частотах, что означает связь нежелательной энергии в линии электропередачи с выходом. Поэтому необходимо избегать попадания этой высокочастотной энергии в ИС.Это может быть сделано путем включения электролитических конденсаторов (для развязки низких частот) и керамических конденсаторов (для развязки высоких частот).
Отклонение напряжения питания в зависимости от частоты для высокопроизводительного операционного усилителя. Кредит графика: Analog Devices
Характеристики отклонения блока питания не обязательно указаны в технических характеристиках. Но вы всегда можете найти рекомендуемые схемы развязки блоков питания в разделе приложений таблицы данных. Эти рекомендации всегда следует выполнять, чтобы гарантировать правильную работу устройства.
S Чувствительность ИС
Чувствительность ИС к колебаниям источника питания выражается коэффициентом отклонения источника питания (PSRR) или PSR (в дБ). PSRR — это отношение изменения выходного напряжения к изменению напряжения источника питания.
Что такое разделительный конденсатор?
Размещение развязывающего конденсатора
Разделительный конденсатор — это пассивный компонент, способный локализовать накопление энергии.По самой своей природе для зарядки и разрядки требуется время. Он предотвращает быстрые изменения напряжения, защищая систему или ИС, обеспечивая надлежащее питание постоянного тока.
Разделительный конденсатор подключается между источником питания и нагрузкой / IC параллельно. Чтобы подавить возмущения напряжения для каждой ИС, они должны быть размещены локально, то есть как можно ближе к ИС. Все распределительные сети имеют фактическое сопротивление и индуктивность, которые предотвращают мгновенную подачу тока, развязывающий конденсатор контролирует провалы напряжения питания и звонки и обеспечивает стабильность напряжения в цепи.
Что такое байпасный конденсатор?
Размещение байпасного конденсатора
Байпасный конденсатор используется для предотвращения проникновения шума в систему путем его обхода на землю. Он подключается между выводами напряжения питания (Vcc) и заземления (GND) для уменьшения шума источника питания и скачков напряжения на линиях питания.
В чем разница между развязывающим и шунтирующим конденсаторами?
Разделительный конденсатор накапливает энергию и рассеивает ее обратно в шину питания, чтобы обеспечить плавное прохождение тока.Шунтирующий конденсатор обеспечивает обратный путь сигнала переменного тока для переключения между шиной питания и заземлением.
Разница между развязывающим и шунтирующим конденсаторами.
С учетом их назначения и функции, байпасные и развязывающие конденсаторы могут использоваться как взаимозаменяемые. При питании любого устройства основной задачей является обеспечение пути с очень низким импедансом по отношению к заземлению входного питания. Вот некоторые из немногих заметных отличий:
Шунтирующие конденсаторы используются для создания шунтирующего тракта с низким сопротивлением для высокочастотных шумовых сигналов.Они обеспечивают снижение высокочастотного шума до того, как он проникнет во всю цепь, что приведет к неисправности цепи и проблеме электромагнитных помех. С другой стороны, разделительные конденсаторы используются для стабилизации колебаний напряжения.
Для функции шунтирования с низким сопротивлением достаточно одного электролитического конденсатора, но для стабилизации сигнала требуются два разных типа конденсаторов.
Также прочтите, Как обрабатывать текущий обратный путь для лучшей целостности сигнала.
ЗАГРУЗИТЕ НАШЕ РУКОВОДСТВО ПО ДИЗАЙНУ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ:
Для чего нужен разделительный конденсатор?
Разделительные конденсаторы используются для изоляции или развязки двух цепей. Другими словами, они отделяют сигналы переменного тока от сигналов постоянного тока или наоборот.
В случае падения входного напряжения развязывающий конденсатор обеспечивает достаточную мощность для ИС для поддержания уровня напряжения.
В случае увеличения напряжения развязывающий конденсатор предотвращает протекание избыточного тока через ИС, чтобы напряжение оставалось стабильным.
Какие типы конденсаторов используются для развязки?
Конденсаторы электролитические
Электролитические конденсаторы большей емкости (от 1 до 100 мкФ) используются для развязки низкочастотного шума. Эти конденсаторы действуют как зарядные резервуары для выполнения требований мгновенного заряда схемы. Такие конденсаторы не следует размещать на расстоянии более 2 дюймов от ИС. Поскольку все электролитические конденсаторы поляризованы, они не могут выдерживать обратное смещение более 1 В без повреждений.Они имеют относительно высокие токи утечки, которые зависят от конструкции, электрических размеров и номинального напряжения в зависимости от приложенного напряжения. Тем не менее, ток утечки не оказывает существенного влияния на развязку.
Конденсаторы керамические
Керамические конденсаторы для поверхностного монтажа с низкой индуктивностью (0,01 мкФ — 0,1 мкФ) используются для развязки высокочастотных помех источника питания. Эти конденсаторы подключаются непосредственно к выводам питания ИС.
Керамический конденсатор малой индуктивности для высокочастотной развязки
Керамические конденсаторы компактны и имеют низкие потери.Они обладают широким диапазоном температур, низким ESR / ESL, стабильностью, надежностью и могут выдерживать широкий диапазон напряжений. Доступны конденсаторы X7R, Z5U и Y5V емкостью до нескольких мкФ с высокой диэлектрической проницаемостью и номинальным напряжением до 200 В. Керамический конденсатор типа X7R является предпочтительным, поскольку он показывает меньшее изменение емкости в зависимости от напряжения смещения постоянного тока. по сравнению с Z5U и Y5U.
Кроме того, керамические конденсаторы NP0 (COG) (0,1 мкФ или меньше) также используются из-за их более низкой диэлектрической проницаемости и низкого коэффициента напряжения.
Многослойные керамические (MLCC) конденсаторы для поверхностного монтажа MLCC
используются для обхода и фильтрации на частотах 10 МГц и более из-за их конструкции с низкой индуктивностью.
Для повышения эффективности все разделительные конденсаторы должны быть подключены непосредственно к заземляющей пластине с низким сопротивлением. Рекомендуется подключать эти конденсаторы, используя короткие дорожки или переходные отверстия, чтобы минимизировать последовательную индуктивность.
Как разместить развязывающий конденсатор?
Размещение развязывающего конденсатора имеет решающее значение, поскольку оно снижает полное сопротивление шин источника питания.В идеале он должен максимизировать емкость и минимизировать сопротивление и индуктивность. Компоненты, такие как микросхемы, зависят от их входного напряжения, чтобы быть максимально стабильным во время работы.
Развязочный конденсатор следует размещать как можно ближе к ИС, поскольку он защищает эти чувствительные микросхемы, отфильтровывая любые чрезмерные шумы. Чем дальше они будут, тем менее эффективны.
Эффективное размещение развязывающего конденсатора на дорожке печатной платы.
На рисунке слева (как показано выше) соединение как с выводом питания, так и с землей выполнено как можно короче.Это наиболее эффективный вариант. На рисунке справа (как показано выше) дорожка печатной платы может вызвать интерференцию из-за образования петли. Такое расположение менее эффективно из-за избыточной индуктивности и сопротивления дорожки печатной платы.
Всегда подключайте разделительные конденсаторы между источником питания и нагрузкой / ИС параллельно друг другу.
Последовательное подключение конденсатора к дорожкам входного и выходного сигналов устраняет низкочастотные переходные процессы из входных и выходных сигналов.
Размещение конденсатора параллельно резистору снижает высокочастотные электромагнитные помехи.
При использовании переходных отверстий для достижения плоскости питания подключите конденсатор к выводу компонента, а затем к переходному отверстию, чтобы ток протекал через плоскость.
Схема разделительных конденсаторов
Разделительные конденсаторы также эффективны для разделения аналоговых и цифровых сигналов. Это достигается подключением конденсатора между AC и заземлением цифровой печатной платы.
Убедитесь, что плоскости питания и заземления сплошные и смежные: Размещение конденсаторов рядом с выводами питания и заземления ИС имеет решающее значение.Это делает пути цепей к заземлению и плоскостям питания как можно короче.
Симметричное размещение смежных плоскостей питания и заземления: Смежные плоскости питания и заземления должны быть размещены симметрично. Также рекомендуется минимизировать количество слоев между плоскостями и разделительными конденсаторами.
Для получения дополнительной информации о размещении развязывающих конденсаторов для BGA и шины питания прочтите инструкции по размещению развязывающих конденсаторов при проектировании печатной платы.
Как выбрать номинал развязывающего конденсатора?
Количество конденсаторов, используемых в цепи, зависит от количества выводов питания и заземления, а также присутствующих сигналов ввода / вывода.Выбирайте развязывающие конденсаторы с достаточно высокими собственными резонансными частотами в зависимости от ширины полосы сигнала или рабочей частоты.
Понять саморезонансную частоту: Конденсатор остается емкостным до этой частоты и начинает проявлять себя как индуктор выше этой частоты. Полное сопротивление разделительного конденсатора достигает минимального сопротивления на частоте ω = 1 / √LC. Эта частота известна как резонансная частота разделительного конденсатора.
Более низкая емкость и меньшая индуктивность дают более высокую резонансную частоту.Более высокая собственная резонансная частота достигается за счет выбора компонента для поверхностного монтажа меньшего размера, поскольку, как правило, меньший корпус компонентов имеет более низкую паразитную индуктивность.
Емкость конденсатора развязки низкочастотного шума должна находиться в диапазоне от 1 мкФ до 100 мкФ. Конденсатор развязки высокочастотного шума должен находиться в диапазоне от 0,01 мкФ до 0,1 мкФ.
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL): Поскольку конденсатор должен быстро обеспечивать ток, выбирайте конденсатор с низким ESR и ESL.
Меньший размер корпуса: Компактные конденсаторы позволяют уменьшить размер контура, что еще больше снижает индуктивность.
Как выбрать размер развязывающего конденсатора для цифровых ПДН?
Размер развязывающего конденсатора оценивается на основании полного сопротивления сети распределения питания (PDN) и заряда, необходимого для коммутирующей ИС. Оценка точного размера конденсатора и его правильная установка помогает уменьшить пульсации и шум в PDN.
Расчет размера развязывающего конденсатора на основе тока, потребляемого во время переключения, и напряжения IC.
Где: T _{нарастание} — время нарастания, V _IC — напряжение IC, а ΔI — потребляемый ток.
Примечание: Приведенная выше формула действительна, если ширина полосы сигнала меньше, чем частота собственного резонанса развязывающего конденсатора. Ширина полосы сигнала определяется выражением: (0,35 / время нарастания сигнала).
Как выбрать размер развязывающего конденсатора для аналогового ПДН?
При обеспечении стабильного питания аналоговой ИС, развязывающий конденсатор постоянно заряжается и разряжается, обеспечивая стабильное питание во время работы аналоговой ИС.
Размер развязывающего конденсатора аналоговой ИС определяется по формуле:
Ток, потребляемый ИС, будет увеличиваться в зависимости от напряжения и частоты ИС.
Где: f — частота, V _IC — напряжение IC, а I — потребляемый ток.
Как выбрать размер развязывающего конденсатора в зависимости от импеданса PDN?
Конденсаторы развязки своевременно обеспечивают необходимый заряд и снижают выходное сопротивление всей PDN.На практике развязывающий конденсатор эффективен только в определенном частотном диапазоне. Полное сопротивление практического разделительного конденсатора линейно уменьшается с уменьшением частоты и увеличивается с увеличением частоты. Это увеличение импеданса практического развязывающего конденсатора происходит из-за паразитной индуктивности развязывающего конденсатора.
Также прочтите, Как уменьшить паразитную емкость в топологии печатной платы.
Один из лучших способов определить размер развязывающего конденсатора основан на целевом импедансе PDN.
Размер развязывающего конденсатора зависит от требуемой пульсации напряжения, целевого импеданса PDN и целевого напряжения PDN.
Где: f — частота, V _IC — напряжение IC, V _{пульсации} — пульсации напряжения, а Z _PDN — целевой импеданс PDN.
Целевой импеданс PDN и пульсирующее напряжение PDN являются функциями емкости, что делает эту проблему очень сложной для решения. Расчет «C» требует нескольких итераций.Вышеприведенное уравнение является более точным, поскольку оно может учитывать влияние резонансной частоты разделительного конденсатора и резонансов, возникающих из-за паразитов в компоновке печатной платы.
При вычислении Z _PDN для различных значений C и f мы приходим к лучшим значениям C, чтобы получить наименьшее значение Z _PDN для всех частотных диапазонов.
Примечание: Точное значение используемых развязывающих конденсаторов всегда указывается в техническом описании микросхем.
Также прочтите нашу статью о требованиях к управляемому импедансу.
Как выбрать номинал байпасного конденсатора?
Реактивное сопротивление конденсатора, добавленного в цепь, должно быть 1/10 или меньше, чем сопротивление параллельно. Ток всегда имеет путь с наименьшим сопротивлением, поэтому, если вы хотите переключить сигнал переменного тока на землю, конденсатор должен иметь более низкое сопротивление. Значение емкости используемого байпасного конденсатора:
Где: f — частота, а X _C — реактивное сопротивление.«F» зависит от рабочей частоты платы.
Конденсаторы
— один из самых универсальных компонентов, используемых в сборках печатных плат, и одна из их самых важных функций — развязка. Фактически, целостность сигнала и питания вашей платы может зависеть от того, насколько эффективно вы размещаете развязывающие конденсаторы и байпасные конденсаторы.
Следите за обновлениями в нашем следующем блоге о серии развязывающих конденсаторов. Сообщите нам в разделе комментариев, если есть что-то особенное для печатных плат, о котором вы хотели бы прочитать.
СКАЧАТЬ НАШЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УПРАВЛЯЕМОГО ИМПЕДАНСА:
Конденсатор развязки какого размера следует использовать для цифровых ИС? | Блог
Захария Петерсон
| & nbsp Создано: 1 июля 2019 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 25 января 2021 г.

Правильно ли рассчитаны эти конденсаторы?
В рекомендациях по проектированию печатных плат, в том числе в «гуру» высокоскоростного цифрового проектирования, неоднократно упоминается о необходимости правильного определения размеров развязывающих конденсаторов.Иногда к этому обращаются без полного понимания того, что эти ограничения должны делать в PDN или их роли в обеспечении целостности питания. Я также видел много примечаний к применению, которые по умолчанию соответствуют устаревшему руководству по размещению трех развязывающих конденсаторов для соединения контактов питания и заземления на цифровой интегральной схеме (обычно 1 нФ, 10 нФ и 100 нФ или что-то в этом роде). В прошлом это было, наверное, нормально; Проблемы целостности питания, возникающие в быстрых цифровых компонентах, были не настолько серьезными, чтобы создавать помехи для напряжений сердечника, поэтому работа, выполняемая тремя конденсаторами, была достаточно хорошей.
Современные быстрые интегральные схемы, которые имеют несколько выходов и низкое напряжение ядра (всего 1,0 В), имеют гораздо более жесткие ограничения шума, чем гораздо более медленные компоненты прошлых лет. Более жесткие ограничения шума означают необходимость более точной развязки. В этом случае любой разработчик, работающий с современными достаточно мощными микроконтроллерами и многими другими цифровыми компонентами, должен знать, как правильно выбрать размер развязывающего конденсатора. Итак, как лучше всего это сделать? В общем, это можно сделать двумя способами.Давайте посмотрим и на то, и на другое, чтобы увидеть, как это делается, и почему старый миф о трех разделительных конденсаторах не актуален в современных высокоскоростных цифровых устройствах.
Общие сведения об эквивалентной модели конденсатора
Прежде чем мы вообще перейдем к определению размеров развязывающих конденсаторов, которые вам понадобятся для цифровой конструкции, вам необходимо понять базовую модель схемы конденсатора. Как бы нам ни хотелось думать, что конденсатор ведет себя именно так, как утверждает теория, на самом деле это не так.Все конденсаторы имеют некоторую индуктивность на выводах, которая определяет их спектр импеданса, который эмпирически моделируется как последовательная сеть RLC:

Эквивалентная цепь RLC, используемая для моделирования конденсатора
В этой модели ESR и ESL — это эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность соответственно. Величина C может быть принята как емкость, указанная в техническом описании компонента. Наконец, значение R учитывает проводимость диэлектрика, образующего конденсатор.Этим объясняется переходная утечка, которая возникает в любом конденсаторе после того, как он заряжен и отключен от цепи. Это значение обычно достаточно велико, поэтому его можно игнорировать.
В этой модели (без учета R) значение (ESR / (2 * ESL)) представляет собой постоянную демпфирования эквивалентной схемы, при условии, что нагрузка, подключенная к концам схемы, равна 0 Ом. Это минимальное время, необходимое для того, чтобы схема отреагировала на изменение входного напряжения при полной зарядке / разрядке. В технических описаниях конденсаторов не указаны константы демпфирования, вместо этого они просто показывают график спектра импеданса, как показано ниже.Если хотите, вы можете использовать значения ESL и ESR в своих таблицах для расчета постоянной демпфирования.
Наконец, все реальные конденсаторы имеют собственную резонансную частоту, равную значению для любой последовательной цепи RLC, или в данном случае:
Собственную резонансную частоту можно увидеть на графике спектра импеданса. Пример реального конденсатора AVX показан ниже:
Пример спектра импеданса для 12101C104KAT2A от AVX в корпусах различных размеров.
Что на самом деле делает развязывающий конденсатор?
Это отличный вопрос, который действительно помогает нам понять, зачем нам нужны развязывающие конденсаторы для обеспечения целостности питания цифровых интегральных схем.Все конденсаторы сохраняют заряд в равновесии при подключении к источнику постоянного напряжения; пластины в конденсаторе заряжаются и удерживают общий заряд, равный Q = CV. Если V колеблется или немного падает, то часть этого заряда Q высвобождается и доставляется в нагрузку, как небольшая батарея.
Проблема, которая возникает в реальных конденсаторах, подключенных к цифровым схемам, заключается в том, что падение напряжения не происходит на одной частоте. Зависящие от времени колебания напряжения источника или внезапный всплеск тока в цепи часто выглядят на осциллографе как всплеск с резкими фронтами.Это означает, что спектр мощности, связанный с этим сигналом, будет распределен по диапазону частот и будет перекрываться с собственным резонансом. В результате конденсатор в ответ разрядится и вызовет переходные колебания на шине питания. Если эта мощность поступает в PDN с помощью цифровой ИС на шине питания, переходный процесс на шине питания будет отображаться в виде звонка на выводе питания. Однако, если выбрано правильное количество и размеры развязывающих конденсаторов, то это колебание можно свести к минимуму.Вот почему у нас есть постоянная рекомендация по трем конденсаторам; это наименее плохое расположение и размер разделительных конденсаторов, которые могут гарантировать стабильную мощность.
Методы определения размеров развязывающих конденсаторов
Теперь, когда мы в основном знаем электрическое поведение реальных конденсаторов, мы можем подойти к определению размеров развязывающих конденсаторов с трех сторон:
Использование зарядки нагрузки во временной области: Трассы на печатной плате в основном представляют собой конденсаторы, а задача развязывающего конденсатора — подавать ток, необходимый ИС для зарядки нагрузки.Вы можете оценить общий заряд и емкость, необходимые для зарядки трасс / линий передачи, используя емкость нагрузки и требуемое время перехода / пиковое напряжение.
Использование целевой пульсации, всплеска тока и спектра импеданса: Это требует установки ограничений на вызывной сигнал шины питания и использования их для определения емкости, необходимой для приведения спектра импеданса PDN ниже целевого импеданса.
Импульсные характеристики во временной области: Здесь вы можете посмотреть на переходную характеристику конденсатора внутри модели для PDN.Вы можете создать феноменологические модели PDN, используя в схемных схемах и использовать анализ переходных процессов в симуляциях SPICE, или вы можете рассчитать передаточную функцию PDN и Z-параметры, используя расчет импульсной характеристики. По мере того, как вы перебираете различные значения развязывающих конденсаторов, вы можете в конечном итоге минимизировать импеданс PDN ниже целевого.
В приведенном выше списке только первый метод является «простым» и может дать вам базовую оценку общего заряда, который вам нужно будет сохранить в своей батарее конденсаторов, исходя из минимального времени, необходимого для его доставки.Если вы развязываете цифровую схему, которая имеет более высокую скорость переключения, тогда вам нужно выбрать конденсатор с эквивалентной постоянной демпфирования, которая критически демпфирует или слегка перегружает схему, чтобы подавить звон во время разряда. Пока скорость разряда меньше времени переключения, разделительный конденсатор сможет быстро компенсировать колебания напряжения.
Оценка общей развязывающей емкости на основе трассы зарядки
Самый простой способ оценить общую развязывающую емкость — это учесть максимальное количество заряда, которое необходимо доставить в ИС, как быстро он должен быть доставлен в ИС, и размер колебаний напряжения, которые необходимо компенсировать.Поскольку большинство нагрузок емкостные, вы можете связать ток, который достигает нагрузки, со скоростью, с которой напряжение сигнала изменяется с ВЫКЛ на ВКЛ (или наоборот):
Обратите внимание, что вы можете применить аналогичный метод к чисто резистивной или индуктивной нагрузке. Давайте посмотрим на емкостную нагрузку на цифровой ИС с несколькими переключающими выходами.
Простой пример: цифровая ИС с 12 выходами
Лучший способ показать, как использовать это уравнение для емкостной нагрузки, — это на примере.Предположим, у вас есть цифровая ИС с 12 выходами, где каждый выходной сигнал составляет 5 В с временем нарастания 6 нс. Каждый выход управляет нагрузкой с нагрузочной емкостью 50 пФ. Если вы приблизите время нарастания сигнала как линейное, то производную в приведенном выше уравнении можно записать как dV = 5 В и dt = 6 нс. Следовательно, ток, необходимый для каждого выхода, составляет:
.

Ток на выход из нашего примера IC
Если бы все 12 выходов переключились с высокого на низкий одновременно, то общий бросок тока от PDN составил бы 500 мА.Этот бросок тока вызывает изменение потенциала заземляющей поверхности, что приводит к изменению потенциала сигнала, и конденсатор должен компенсировать это изменение потенциала сигнала. Если мы предположим, что пороговое значение для состояния ВКЛ составляет 4,5 В, то падение напряжения, которое необходимо компенсировать, составляет 0,5 В, чтобы предотвратить битовые ошибки. Кроме того, это должно быть компенсировано в течение 6 нс. Следовательно, минимальная развязывающая емкость составляет:

Минимальная емкость разделительного конденсатора в примере
Здесь вы должны использовать, по крайней мере, конденсатор 6 нФ для компенсации 0.Максимальное напряжение 5 В в течение 6 нс. Обратите внимание, что некоторые руководящие принципы рекомендуют использовать в этом примере два конденсатора по 3 нФ параллельно, поскольку это снизит ESR в 2 раза, но это также уменьшит ESL в 2 раза, поэтому влияние на демпфирование будет нулевым. Если отклик конденсатора недостаточно демпфирован, вы можете выбрать конденсатор большего размера, так как это приближает отклик к критически затухающим или чрезмерно затухающим случаям. Однако использование двух конденсаторов параллельно помогает сгладить спектр импеданса сети PDN вблизи резонансной частоты конденсатора.
Определение размеров развязывающих конденсаторов по импульсным характеристикам / импеданс PDN
Что не так с указанной выше моделью? Проблема в том, что он не учитывает все аспекты реальных развязывающих конденсаторов или реального PDN на печатной плате, в том числе:
ESL, как показано выше в модели эквивалентного импеданса конденсатора
Паразитная емкость и индуктивность в PDN
Второй момент очень важен и требует моделирования после макета.Спектр импеданса PDN зависит не только от значений ваших развязывающих конденсаторов, он также зависит от геометрии PDN (то есть от расположения слоев, материалов, размера шин и т. Д.). Из-за этой зависимости от геометрии вам необходимо экспортировать компоновку печатной платы в утилиту для расчета полей, такую как Ansys.
Импеданс PDN с исследованием конструкции
Это намного сложнее, и иногда к нему прибегают на схемной модели. К сожалению, модели схем не могут точно учесть реальные аспекты импеданса PDN, и поэтому вам обычно нужен решатель поля для определения Z-параметров, S-параметров или других сетевых параметров в вашем проекте.Решатель поля также может использоваться для вычисления спектра импеданса PDN, который затем может использоваться для вычисления функции импульсной характеристики с обратным преобразованием Фурье. Это довольно сложная тема исследования дизайна, которая заслуживает отдельного руководства, но она важна, когда вы начинаете иметь дело с очень быстродействующими компонентами, которые также имеют низкое напряжение ядра и малый запас помехоустойчивости.
Выбор дополнительных развязывающих конденсаторов
После извлечения этой модели из полевого решателя вы можете определить, какие части спектра импеданса PDN имеют высокий импеданс, и вы можете выбрать дополнительные развязывающие конденсаторы, которые нацелены на эти пики в спектре импеданса PDN.Добавьте конденсаторы, которые имеют собственный резонанс, который перекрывает пик импеданса PDN (см. Ниже), и продолжайте добавлять конденсаторы параллельно, пока импеданс PDN не упадет ниже целевого импеданса. Если вы не уверены в своем целевом импедансе для вашего PDN, прочтите эту статью от Kella Knack, чтобы получить хорошее представление о целевом значении, которое вам нужно. Я также подготовлю новую статью, в которой показано, как рассчитать это напрямую.
Пример спектра импеданса. К PDN можно добавить развязывающие конденсаторы для нацеливания на два пика с высоким Z, если собственные резонансы совпадают с пиковыми частотами.Параллельное добавление нескольких конденсаторов расширит границы этих пиков и поможет снизить общий импеданс PDN.
С платами, работающими на более низких уровнях мощности, более высоких скоростях передачи данных и более жестких требованиях к шуму, каждый разработчик должен иметь необходимые инструменты для выбора и размещения байпасных и развязывающих конденсаторов для своих печатных плат. Только Altium Designer предоставляет вам инструменты для схемотехнического проектирования и компоновки, необходимые для создания новых дизайнов для любого приложения. Набор инструментов моделирования Altium Designer также помогает выявлять проблемы целостности электропитания и исследовать переходное поведение вашей сети электропитания.
Мы только прикоснулись к возможностям Altium Designer на Altium 365. Начните бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.
Емкость развязки
— обзор
18.4.1 Топологии емкости развязки для трехмерных ИС со стробированием
Стробирование мощности — широко используемый метод для значительного снижения мощности интегрированной системы. Те цепи, которые не выполняют задачу в течение определенного времени, временно отключаются от источника питания для устранения утечки и динамического тока.Большие транзисторы, обычно называемые «транзисторами сна», отключают шины питания от «виртуального» источника питания, который подключен к схемам [689]. Побочным эффектом стробирования мощности является уменьшение общей емкости системы. Следовательно, емкость в этих цепях не может вести себя как разделительные конденсаторы и помогать уменьшать резкие скачки тока в соседних цепях. Эта ситуация более тонкая в трехмерных схемах по двум причинам. Во-первых, из-за потенциально большей плотности мощности по сравнению с двумерными схемами, методы с низким энергопотреблением, такие как стробирование мощности, могут применяться более агрессивно.Во-вторых, короткие вертикальные пути с низким импедансом, обеспечиваемые TSV, позволяют емкости соседних ярусов более эффективно удовлетворять резкие потребности в токе внутри яруса.
Другой аспект стробирования мощности — это процесс перехода стробируемой схемы мощности в рабочее состояние. Если несколько цепей одновременно переходят в активное состояние, внезапное потребление тока может вызвать значительное падение напряжения источника питания. Это падение напряжения проявляется в виде шума источника питания в соседних активных цепях [690].Принимая во внимание эти две проблемы, в этом подразделе обсуждаются методики эффективного использования развязывающей емкости в трехмерных схемах.
Топология, которая позволяет использовать развязывающую емкость, несмотря на то, что блок схемы находится в режиме стробирования, проиллюстрирована на рис. 18.31 [691]. Основное отличие от стандартной стробируемой схемы состоит в том, что развязывающий конденсатор подключается как к общему источнику напряжения, так и к виртуальной шине питания через два переключающих транзистора, которые выбирают одну из двух линий питания.
Рисунок 18.31. Реконфигурируемая топология развязывающей емкости, при которой развязывающий конденсатор подключается к шине питания, даже если спящие транзисторы выключены [691].
Если транзистор переключатель 2 включен, а переключатель 1 выключен, разделительный конденсатор подключен к виртуальному V _dd. Если схема активна, транзисторы спящего режима включены, а разделительный конденсатор обеспечивает заряд локальных блоков схемы, показанных на рис.18.31, а не к более удаленным цепям, поскольку путь к шине V _dd является более резистивным. В качестве альтернативы, если схема закрыта по мощности, переключатель 2 выключен, а переключатель 1 включен, разделительный конденсатор подает заряд на другие схемы, отключая шину V _dd от виртуального источника питания.
Для этой топологии существует компромисс между переключающим транзистором и развязывающим конденсатором, поскольку общие накладные расходы на эти компоненты должны быть как можно меньше при соблюдении любых ограничений по напряжению.Дальнейшее увеличение развязывающей емкости бесполезно, поскольку площадь и, следовательно, сопротивление переключающих транзисторов в открытом состоянии велики, что ограничивает эффективность конденсатора. В качестве альтернативы, если переключающий транзистор имеет большие размеры, что снижает импеданс разрядного тракта конденсатора, ток утечки становится больше. Следовательно, выбор подходящего размера для этих двух компонентов необходим для достижения системы разделительных конденсаторов с наивысшей эффективностью.
Другая топология подключения развязывающей емкости показана на рис.18.32, где развязывающий конденсатор напрямую подключен к шине V _dd. Конденсатор обеспечивает достаточный заряд для соседних цепей независимо от того, являются ли блоки локальных цепей закрытыми. Однако путь разряда для блоков локальной схемы включает в себя транзистор ожидания. Следовательно, эта топология может демонстрировать больший шум источника питания по сравнению с реконфигурируемой топологией, показанной на рис. 18.31. Однако, поскольку транзисторы спящего режима обычно имеют большие размеры (эквивалентная ширина транзистора составляет порядка миллиметров), падение напряжения на этих устройствах чрезвычайно мало.
Рисунок 18.32. Всегда на топологии развязки емкостей. Заряд, подаваемый на блоки локальной схемы, проходит через транзисторы сна [692].
Для оценки эффективности и изучения компромиссов между этими двумя топологиями рассматривается электросеть для трехмерной схемы с тремя уровнями. Самый верхний уровень подключен к пакету с подключениями C4. В этой топологии используется десять металлических слоев [693]. Два верхних уровня — это глобальная электросеть, а уровни 7 и 8 — виртуальная сеть.Кроме того, предполагается, что для TSV будет производиться сквозной производственный процесс. Сетка 1 мм × 1 мм. Сегменты энергосистемы и TSV моделируются множеством π-сегментов RLC . Соединения C4 смоделированы как секции RL . Кроме того, нагрузка состоит из пары инверторов разного размера, распределенных по цепи. Наконец, ограничение падения напряжения установлено на 5% от В _dd, 50 мВ.
Поскольку трехмерная схема включает три уровня, оценивается несколько сценариев с одним или несколькими активными уровнями.Эти сценарии перечислены в столбцах 1-3 таблицы 18.4, где также указан максимальный шум источника питания для всех этих сценариев. Емкость развязки гарантирует, что ограничение по напряжению удовлетворяется для стандартной топологии со всеми активными уровнями (и, следовательно, подключенными к глобальному В _dd). Как показано в Таблице 18.4, для других сценариев, где некоторые уровни имеют стробирующий режим, традиционная топология нарушает ограничение по напряжению. Такое поведение связано с более низкой развязывающей емкостью, доступной во всем 3-мерном стеке.В качестве альтернативы, обе другие топологии демонстрируют значительно меньший шум источника питания.
Таблица 18.4. Пиковый шум напряжения для различных сценариев активности трех уровней трехмерной схемы для стандартной, реконфигурируемой и постоянно включенной топологий развязки емкости [692]
_{_{22 _{Уменьшается}}}
Рабочее состояние уровней Шум развязки источника питания Топологии емкости (мВ)
Верхний уровень Средний уровень Нижний уровень Стандартный Реконфигурируемый Всегда активен
Уменьшается

Вкл 50 50 — 50 —
Вкл Выкл Вкл 48.16 43,48 9,7% 43,40 9,9%
Выкл. Выкл. Вкл. вкл. 48,55 44,50 8,3% 42,89 11,7%
выкл. вкл.1% 37,55 28,5%
Еще одним важным параметром, влияющим на шум мощности в стробированных цепях, является время пробуждения неактивных цепей, которое влияет на работу активных систем. Такое поведение характерно как для двумерных, так и для трехмерных схем. Простой способ уменьшить потребность в токе во время процесса пробуждения (переход от стробируемого к рабочему состоянию) состоит в том, чтобы немного задержать время включения транзисторов сна, чтобы гарантировать, что потребляемый ток увеличивается медленнее. .Для этого подхода используется шлейфовая цепочка буферов, как показано на рис. 18.33. Однако недостатком этого подхода является продолжительное время пробуждения схемы. Чтобы избежать этой ситуации, контроллер пробуждения инициирует процесс пробуждения в два этапа, когда включается небольшое количество транзисторов спящего режима, а затем включаются остальные транзисторы [694]. Продолжительность каждого шага постоянна и обычно составляет несколько тактов.
Рисунок 18.33. Последовательная цепочка буферов включает транзисторы ожидания, последовательно обеспечивая постепенное увеличение тока, ограничивая резкие изменения тока в электросети [695].
Этот двухэтапный метод также применим к трехмерным схемам; однако ситуация более сложная, поскольку шум источника питания, проявляемый на каждом уровне, сильно зависит от расположения уровня в стеке [695]. Для трехмерных стеков, предполагающих, что каждый уровень активен, неактивен или переходит в активное состояние, существует несколько случаев, когда шум источника питания изменяется во всех возможных сценариях работы. Поэтому между двумя этапами используется разное время пробуждения в зависимости от уровня, который переходит в активное состояние, и уровней, которые уже активны.Эта информация используется для управления адаптивным контроллером пробуждения, где длительность каждого шага тщательно контролируется [695]. Задача этого адаптивного контроллера — сократить общее время пробуждения при соблюдении любых ограничений по шуму источника питания.
Этот адаптивный двухступенчатый контроллер пробуждения был протестирован для трехмерной схемы с пятью уровнями, где предполагается использование 22-нм технологического узла. На первом этапе 5% транзисторов ожидания включаются, тогда как остальные транзисторы включаются на втором этапе.Однако продолжительность каждого шага регулируется в соответствии с рабочими условиями всего трехмерного стека. Сравнение эффективности контроллера пробуждения выполняется как с постоянным, так и с адаптивным шагом. Адаптивный контроллер демонстрирует среднее уменьшение времени пробуждения трехмерного стека на 28% без нарушения ограничения шума источника питания. Хотя здесь это не обсуждается, количество транзисторов спящего режима, включенных между двумя шагами, является еще одной переменной для управления временем пробуждения за счет более сложного контроллера.
Конденсаторы — learn.sparkfun.com
Добавлено в избранное Любимый 76
Примеры применения
Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле, обычно они довольно большие) пассивного компонента. Чтобы дать вам представление об их широком диапазоне использования, вот несколько примеров:
Развязные (байпасные) конденсаторы
Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязаны.Задача развязывающего конденсатора — подавить высокочастотный шум в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могли бы нанести вред чувствительным микросхемам.
В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для микросхем (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров). Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно часто, особенно когда цепь, которую он питает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением.Вот почему эти конденсаторы также называются байпасными , конденсаторами; они могут временно действовать как источник питания, минуя источник питания .
Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей. Нередко использование двух или более конденсаторов разного номинала, даже разных типов, для обхода источника питания, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие при фильтрации определенных частот шума.
На этой схеме три развязывающих конденсатора используются для уменьшения шума в источнике напряжения акселерометра.Два керамических 0,1 мкФ и один танталовый электролитический 10 мкФ разделенные функции развязки.
Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю. Сигнал постоянного тока поступит на ИС, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, а не проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.
При физическом размещении развязывающих конденсаторов они всегда должны располагаться как можно ближе к ИС.Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.
Вот схема физической схемы из схемы выше. Крошечная черная ИС окружена двумя конденсаторами по 0,1 мкФ (коричневые крышки) и одним электролитическим танталовым конденсатором 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).
В соответствии с передовой инженерной практикой всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.
Фильтр источника питания
Диодные выпрямители
могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств. Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! Добавив параллельный конденсатор к мостовому выпрямителю, выпрямленный сигнал будет таким:
Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:
Конденсаторы — упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения.Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке. Конденсатор не должен полностью разрядиться, пока входной выпрямленный сигнал не начнет снова увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, многократно, пока используется источник питания.
Цепь питания переменного тока в постоянный.Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, посылаемого в цепь нагрузки.
Если вы разорвите любой блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера 9 В постоянного тока. Заметили там конденсаторы?
Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Есть четыре электролитических крышки, похожие на жестяную банку, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане — это высоковольтный 0.Крышка из полипропиленовой пленки 1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине — керамические.
Хранение и поставка энергии
Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений — подача этой энергии в цепь, как в батарее. Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько же энергии, как химическая батарея того же размера (но этот разрыв сокращается!).
Положительным моментом конденсаторов является то, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).
Батарея или конденсатор?
Батарея Конденсатор
Емкость ✓
Плотность энергии ✓
Срок службы Срок службы ✓
Фильтрация сигналов
Конденсаторы
обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты.Они могут блокировать низкочастотные компоненты или составляющие сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам. Они как вышибалы в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.
Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для отключения нежелательных частот.
Другой пример фильтрации сигнала конденсатора — это пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на множество.Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут поступать на твитер динамика. При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты в основном могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.
Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.
Снижение рейтинга
При работе с конденсаторами важно проектировать схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.
Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные характеристики конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете прочитать больше о его экспериментах здесь.

← Предыдущая страница
Конденсаторы последовательно / параллельно
Расчет номинала разделительного конденсатора и требования
Значение разделительного конденсатора
Значение разделительного конденсатора почти никогда не рассчитывается.В общем, сверьтесь с таблицей данных для ИС и следуйте всем имеющимся у них конкретным рекомендациям. У больших ИС, таких как ПЛИС, всегда будет рекомендованная схема развязки. Часто для больших ИС используется несколько конденсаторов, включенных параллельно, значения которых распределены по емкости в несколько десятков лет.
Если конкретная информация там не указана, то обычно используется значение от 0,1 мкФ до 0,33 мкФ. Общее правило — один развязывающий конденсатор на вывод питания ИС. Небольшие ИС, которые близко размещены на печатной плате, часто могут использовать разделяющий конденсатор.
Точное значение часто зависит от того, какие конденсаторы есть в наличии у компании, цены и того, какие конденсаторы используются в других частях платы.
Например, если в одном техническом описании IC конкретно указано, что требуется развязка 0,22 мкФ, то все ИС в конструкции, в которой используется эта микросхема, могут получить развязку 0,22 мкФ. Это проблема экономии на масштабе. Дешевле покупать в большем объеме. Также быстрее строить с меньшим количеством компонентов с разными значениями.
При покупке конденсаторов диэлектрик очень важен, особенно если диапазон температур меняется в зависимости от условий эксплуатации.В целом X7R — хороший диэлектрик. Есть другие, которые могут быть дешевле, но они теряют емкость при повышении температуры.
Наконец, очень важен макет. Развязочный конденсатор, который прикреплен к ИС длинными тонкими дорожками, не очень хорош. Индуктивность следа сильно ослабляет действие конденсатора. Лучший метод подключения — это то, что мы называем «PIN-PIN-VIA» выводом ИС, подключенным к выводу развязывающего конденсатора, а затем подключенным к переходному отверстию на плоскости.Это относится как к силовым, так и к заземляющим соединениям разделительного конденсатора. Хотя целью является лучший способ подключения, этого не всегда можно достичь. Часто это соединение представляет собой вывод «PIN-VIA PIN-VIA» ИС, подключенный к переходному отверстию к плоскости питания, и вывод развязывающего конденсатора, подключенный к переходному отверстию к плоскости питания. В обоих случаях развязывающий конденсатор должен быть физически близко к ИС.
Оценка индуктивности подключения разделительных конденсаторов
То, что многие люди называют эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) конденсатора, является индуктивностью контура, образованного током, который течет по одному выводу и выходит из другого вывода.Для конденсаторов SMT правильнее называть это соединительной индуктивностью , поскольку она в гораздо большей степени зависит от геометрии соединения, чем от внутренней конструкции конденсатора. Индуктивность подключения является наиболее важным фактором, влияющим на способность развязывающего конденсатора подавать ток на высоких частотах. Оценивая индуктивность соединения, можно определить эффективную полосу пропускания стратегии развязки. Ниже описывается метод, с помощью которого можно оценить индуктивность подключения различных разделительных конденсаторов.
Шаг 1. Определите петлю
Первым шагом в оценке индуктивности развязывающего конденсатора является определение токовой петли развязки. Будут рассмотрены два случая: развязывающие конденсаторы на платах с подачей питания на дорожки и развязывающие конденсаторы на платах с силовой и обратной плоскостями.
A. Геометрия, в которой питание направлено на дорожки
Токовая петля будет состоять из пути между разделительным конденсатором и устройством, которое снимает заряд с конденсатора.На рисунке ниже текущий путь показан красным.
B. Разделительные конденсаторы, подключенные к силовым плоскостям
Токовая петля в этой конфигурации начинается с развязывающего конденсатора, проходит через переходное отверстие к одной из плоскостей питания, затем от одной плоскости питания к другой и, наконец, через переходное отверстие обратно к конденсатору. Импеданс пути между плоскостями питания и возврата, Zboard, обычно не считается частью индуктивности соединения. Zboard можно рассчитать независимо от индуктивности участка петли над плоскостями.Импеданс соединения с плоскостями тогда определяется выражением Z _conn = jωL + Z _board, где L — индуктивность пути тока над плоскостями питания. Этот путь показан красным на рисунке ниже.
Шаг 2: Определите эквивалентную геометрию
Для оценки индуктивности развязывающих конденсаторов будет использоваться индуктивность эквивалентной геометрии. Это упрощение позволит нам использовать простые выражения в замкнутой форме для расчета индуктивности.
Шаг 3: Оценка параметров расчетов индуктивности замкнутой формы
A. Оценка ширины петли ‘w’
Ширина петли «w» — это расстояние, на котором ток проходит через конденсатор. Ниже приведены несколько примеров.
B. Оценка высоты петли ‘h’
Высота петли «h» для конденсатора, прикрепленного к силовым плоскостям, будет приблизительно равна половине высоты развязывающего конденсатора плюс расстояние между конденсатором и ближайшей силовой плоскостью.
C. Расчет радиуса проволоки ‘a’
Эквивалентный радиус провода развязывающего конденсатора или плоской дорожки можно оценить как 1/4 ширины корпуса конденсатора или дорожки. Конечно, большинство соединений состоит из переходных отверстий, дорожек, контактных площадок и корпусов конденсаторов, которые имеют разные эквивалентные радиусы проводов. Оценка индуктивности соединения в наихудшем случае получается при использовании наименьшего эквивалентного радиуса.
Пример 1: Печатная плата без силовых панелей
Рассчитайте индуктивность подключения для конденсатора, подключенного к устройству по дорожкам, как показано ниже.Следы имеют ширину 1 мм. Все остальные размеры показаны ниже.
Решение:
Индуктивность подключения может быть приблизительно определена с помощью уравнения прямоугольной петли (https://cecas.clemson.edu/cvel/emc/calculators/Inductance_Calculator/rectgl.html). Длина и ширина самого прямоугольника оценивается по текущему пути, показанному красной пунктирной линией на рисунке выше. Длина эквивалентной прямоугольной петли оценивается в 8 мм плюс половина длины треугольной части токовой петли (22 мм / 2 = 11 мм).Эквивалентный радиус провода a составляет 1/4 ширины дорожки.
Отв. L _соед. = 29 нГн ≈ 30 нГн
Пример 2: Разделительные конденсаторы, подключенные к плоскостям питания
Рассчитайте индуктивность соединения между конденсатором и устройством, предполагая, что оба подключены к плоскости питания и возврата. Диаметр переходных отверстий составляет 2 мм, а погружной корпус и конденсатор находятся примерно на 3 мм над поверхностью пары плоскостей питания и возврата. Пренебрегайте импедансом через плоскости питания.
Решение:
Индуктивность подключения конденсатора
Для расчета индуктивности развязывающего конденсатора L _cap будет использоваться формула индуктивности «прямоугольной петли над плоскостью» (https://cecas.clemson.edu/cvel/emc/calculators/Inductance_Calculator /rectgl.html). Длина и ширина эквивалентной петли для развязывающего конденсатора составляют 10 мм и 3 мм соответственно. Эквивалентный радиус петли будет радиусом переходных отверстий 1 мм.
L _крышка = 3,6 нГн ≈ 4 нГн Индуктивность подключения DIP-корпуса
Индуктивность подключения корпуса DIP к плоскостям питания, LDIP, будет рассчитана по формуле «длинный прямоугольный контур над плоскостью» (https://cecas.clemson.edu/cvel/emc/calculators/Inductance_Calculator/g- wire.html). Длина петли будет 30 мм, высота петли — 3 мм, а эквивалентный радиус будет приблизительно равен 0,1 мм.
L _DIP = 24.6 нГн ≈ 25 нГн
L _{соединитель} = L _крышка + L _DIP = 28,2 нГн ≈ 28 нГн
Пример 3: Индуктивность контура развязывающего конденсатора
На рисунке ниже показано несколько площадок развязывающего конденсатора на печатной плате. Расстояние между верхним слоем и парой плоскостей питания / возврата составляло 0,02 дюйма; все остальные измерения показаны на рисунке. Индуктивность контактных площадок следующих конструкций была измерена с помощью анализатора цепей, и результаты суммированы ниже.
Корпус л (нГн)
А 0,61
B 1,32
С 2,00
D 7,11
E 15,7
Ф 10,3
Индуктивность корпуса C:
Метод 1. Использование алгоритма «прямоугольная петля над плоскостью»
Вт = 0.5 дюймов, h2 = 0,02 дюйма, h = 2h2, a = 0,025 дюйма
ANS: L = 3,1 нГн ≈ 3 нГн
Метод 2: Использование алгоритма «длинный прямоугольный цикл над плоскостью»
Длина = 0,5 дюйма, h = 0,02 дюйма, a = 0,025 дюйма
ANS: L = 0,75 нГн ≈ 1 нГн
(Примечание: метод 2 игнорирует индуктивность из-за части магнитного потока, охватывающей переходные отверстия. Это разумная оценка индуктивности из-за потока, охватывающего только корпус конденсатора. Поток, охватывающий корпус конденсатора, преобладает в случае A.
No related posts.

Рабочее состояние уровней			Шум развязки источника питания Топологии емкости (мВ)
Верхний уровень	Средний уровень	Нижний уровень	Стандартный	Реконфигурируемый		Всегда активен
Верхний уровень	Средний уровень	Нижний уровень	Стандартный		Уменьшается
Вкл	50	50	—	50	—
Вкл	Выкл	Вкл	48.16	43,48	9,7%	43,40	9,9%
Выкл.	Выкл.	Вкл.	вкл.	48,55	44,50	8,3%	42,89	11,7%
выкл.	вкл.1%	37,55	28,5%

	Батарея
Емкость	✓
Плотность энергии	✓
		Срок службы	Срок службы ✓

Разделительный конденсатор

Добавить комментарий

Выбор выходного разделительного конденсатора

Комплексный расчет, анализ и моделирование многокаскадного усилителя, страница 3

1.2 Описание принципов и особенностей функционирования объекта проектирования

1.3 Схемотехнический расчет объекта проектирования

4. Расчет и выбор блокировочных (разделительных) конденсаторов и индуктивностей. Расчет генератора с внешним возбуждением

Похожие главы из других работ:

3.7 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей

Выбор блокировочных дросселей L19 и L20

5.3 Расчет паразитных емкостей и индуктивностей

2.4 РАСЧЁТ ПАРАЗИТНЫХ ЁМКОСТЕЙ И ИНДУКТИВНОСТЕЙ ПЕЧАТНЫХ ПРОВОДНИКОВ

2.7 Расчет катушек индуктивности и блокировочных элементов

6.1. Расчет блокировочных элементов

5.5. Выбор значений блокировочных элементов

4.2 Расчет емкостей блокировочных конденсаторов

5. Расчет сглаживающего фильтра. Выбор конденсаторов. Расчет сглаживающего дросселя

3.2 Расчет разделительных и блокировочных конденсаторов

1.4 Расчёт разделительных и блокировочных емкостей

3.5 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей

3.5 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей

3.6 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей

3.6 Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей

Расчет многокаскадного усилителя реферат по радиоэлектронике

Источники питания с разделительными конденсаторами.

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания. . Обзоры товаров из Китая.

Выбор размера развязывающего конденсатора для обеспечения целостности питания

Выбор размера развязывающего конденсатора для обеспечения целостности питания

Зачем нужен развязывающий конденсатор?

Определение размера развязывающего конденсатора

Цифровая развязка PDN

Аналоговая развязка PDN

Размер развязывающего конденсатора на основе импеданса PDN

Для чего нужен разделительный конденсатор?

Конденсатор развязки какого размера следует использовать для цифровых ИС? | Блог

Общие сведения об эквивалентной модели конденсатора

Что на самом деле делает развязывающий конденсатор?

Методы определения размеров развязывающих конденсаторов

Оценка общей развязывающей емкости на основе трассы зарядки

Простой пример: цифровая ИС с 12 выходами

Определение размеров развязывающих конденсаторов по импульсным характеристикам / импеданс PDN

Импеданс PDN с исследованием конструкции

Выбор дополнительных развязывающих конденсаторов

— обзор

18.4.1 Топологии емкости развязки для трехмерных ИС со стробированием

Конденсаторы — learn.sparkfun.com

Примеры применения

Развязные (байпасные) конденсаторы

Фильтр источника питания

Хранение и поставка энергии

Фильтрация сигналов

Снижение рейтинга

Расчет номинала разделительного конденсатора и требования

Оценка индуктивности подключения разделительных конденсаторов

Шаг 1. Определите петлю

A. Геометрия, в которой питание направлено на дорожки

B. Разделительные конденсаторы, подключенные к силовым плоскостям

Шаг 2: Определите эквивалентную геометрию

Шаг 3: Оценка параметров расчетов индуктивности замкнутой формы

A. Оценка ширины петли ‘w’

B. Оценка высоты петли ‘h’

C. Расчет радиуса проволоки ‘a’

Пример 1: Печатная плата без силовых панелей

Решение:

Пример 2: Разделительные конденсаторы, подключенные к плоскостям питания

Решение:

Пример 3: Индуктивность контура развязывающего конденсатора

Индуктивность корпуса C:

Метод 1. Использование алгоритма «прямоугольная петля над плоскостью»

Метод 2: Использование алгоритма «длинный прямоугольный цикл над плоскостью»

Добавить комментарий Отменить ответ