De onde veio o valor de 0,1uF para capacitores de derivação?

Quase todo mundo recomenda 0,1uF para capacitores de derivação. Por que esse valor? Presumo que não há mal nenhum em usar valores maiores, então isso é apenas um "mínimo sensato"? E se sim, por que as pessoas buscam o mínimo em vez de usar valores mais altos - parece-me que você pode obter valores mais altos sem nenhum custo extra.

Capacitores de maior valor não serão tão eficazes para lidar com a corrente de alta frequência consumida pelo chip. Acima de uma certa frequência, um capacitor começará a se comportar como um indutor. O valor em que sua característica muda é a auto-ressonância em série do dispositivo: -

Assim, você verá que, em dispositivos de microondas, os capacitores de 100pF também estão presentes como desacopladores, juntamente com os capacitores a granel. Aqui está um exemplo de três capacitores que desacoplam um FPGA:

A curva preta é a impedância composta dos três capacitores utilizados. Retirado daqui .

De onde veio o valor de 0,1uF para capacitores de derivação?

É um bom compromisso entre capacitância em massa e alta frequência, mas se você estiver projetando rádios, o desacoplador padrão pode ser 10nF ou 1nF (UHF). Se você estiver projetando coisas digitais de alta velocidade, também poderá usar 2 ou 3 valores diferentes em paralelo, como na imagem FPGA acima.

Nem todo mundo recomenda 0,1uF como um capacitor de desacoplamento, embora seja um bom ponto de partida para 74HC e lógica de porta única. A resposta de Kevegaro aqui é boa.

Por exemplo, para FPGAs Xilinx, aqui está um recomendação para capacitores de derivação:

Eles recomendam 33 capacitores de três valores diferentes por dispositivo.

A explicação de Andy é bonita e aprofundada. Se você achar difícil entender, pode ajudá-lo a visualizar como a dissociação funciona em termos simples. Em sua mente, imagine uma vista 3D da sua placa, que possui uma carga (ICs, etc) e uma fonte de energia. A carga pode repentinamente "solicitar" mais corrente da fonte de alimentação; no entanto, leva um tempo para que a corrente atinja a carga pela distância e pela resistência do traço. Além disso, a resistência interna da própria fonte ou o tempo para uma fonte de comutação detectar a nova demanda atual e ajustar (largura de banda da fonte) é um fator. Em resumo, uma fonte de alimentação não fornece corrente instantaneamente, leva tempo.

Como a carga aguarda a chegada da corrente, ela não tem escolha a não ser baixar a tensão para compensar a corrente "ausente". Ele tem que obedecer a lei V = IR, a carga diminuiu sua resistência (R) para "indicar" que precisa de mais potência, não havia mais corrente disponível imediatamente, então eu permaneço o mesmo, então V tem que diminuir para compensar.

Então, como resolvemos isso? Colocamos pequenos capacitores próximos à carga. Esses capacitores são pequenos "bancos de carga" dos quais a carga pode ser retirada rapidamente durante o excesso de demanda, mais rápido do que esperar que a corrente saia do suprimento. Por que é mais rápido? Porque a distância entre o capacitor e a carga é menor e a resistência interna de um capacitor é muito menor que uma fonte de alimentação. Se o "I" estiver disponível imediatamente, o "V" não precisará compensar - todos estão felizes.

Embora muito mais rápidos que as fontes de alimentação, os capacitores também levam tempo para "descarregar" e fornecer energia à carga proporcionalmente à sua resistência interna, que aumenta com a capacidade (farads). Portanto, em resumo, os capacitores maiores levam mais tempo para fornecer a corrente necessária. Portanto, você deseja escolher um capacitor de derivação que seja rápido o suficiente para responder à carga, mas também mantenha carga suficiente para atender à demanda enquanto a corrente da fonte de alimentação viaja para a carga.

So where did the value of 0.1uF for bypass capacitors come from?

Como mencionado anteriormente, para a lógica comum, era um bom compromisso entre o tempo de resposta e os requisitos de capacidade dos limites de derivação para as demandas de carga. Você pode sair da calculadora e descobrir exatamente qual é o melhor valor, mas também há custos de lista de materiais a serem considerados. Se você ajustar cada capacitor de desvio para sua carga, você terá muitos outros itens de linha em sua BOM e ficará muito caro rapidamente! 0,1uF para a maioria dos circuitos lógicos ou para circuitos de alta velocidade 0,01uF (100nF) é geralmente uma boa escolha. Economize dinheiro em sua lista técnica, onde você pode dentro dos limites do aplicativo.

Para cargas que frequentemente alteram a demanda atual (cargas de alta frequência), existem outras maneiras de contornar o tempo de resposta versus o problema de capacidade dos capacitores de desvio. Você pode:

1. Use um regulador de energia melhor com maior largura de banda, para que não demore muito tempo para obter energia da fonte para carregar.
2. Coloque dois capacitores em paralelo. Dois resistores em paralelo diminuem a resistência total e não são diferentes nas resistências internas dos capacitores. Portanto, os capacitores combinados aumentaram a capacidade e aumentaram o tempo de resposta!
3. Você pode usar tampas paralelas de capacidade diferente, amiguinho e amiguinho. Então, um pode ser 0,01uF e outro 0,1uF. O primeiro tem resposta rápida e o segundo fica um pouco atrasado, mas fornece corrente por um período mais longo.
4. Você também pode distribuir capacitância em seu circuito, mas não necessariamente no ponto de carga. Essa resposta do reservatório de carga é mais rápida que a fonte, então você pode usar capacitores de desvio menores na carga, sabendo que seus reservatórios de carga distribuídos captarão a folga na fonte.

Esta é uma visão simplificada de tudo. Existem mais fatores, especialmente em circuitos de alta velocidade. Mas se você pode imaginar os princípios elétricos básicos em jogo no seu circuito como um sistema dinâmico de suprimento e exigir muitas das "melhores práticas" que lemos sobre se tornarem senso comum. Uma analogia mais simples pode ser a cadeia de suprimentos da Amazon. Seu objetivo: fornecer itens o mais rápido possível em qualquer lugar dos EUA. Sua solução, armazéns próximos a todas as cidades, menor tempo de resposta, retirando itens do armazém e do caminhão. Em seguida é a entrega de drones. É uma batalha logística de oferta e demanda e trade-off sobre o tempo de resposta e capacidade versus tamanho de cada nó de distribuição e custos!

Um vídeo realmente bom do EEVBlog sobre fatores para capacitores paralelos: https://www.youtube.com/watch?v=wwANKw36Mjw

A recomendação para o uso de vários valores, como 100nF + 10µF, é dos anos 90 e 80, quando o 100nF foi o capacitor de cerâmica mais alto disponível com resposta decente de alta frequência. O capacitor de 10µF seria um capacitor eletrolítico ou de tântalo com um comportamento de baixa frequência ruim.

Isso mudou completamente hoje. Agora você pode facilmente comprar 10 µF de cerâmica em embalagens 0603 ou 0402. Para capacitores de cerâmica, a resposta de alta frequência não tem nada a ver com o valor do capacitor, e tudo a ver com o tamanho da embalagem do capacitor.

Com capacitores modernos, geralmente não faz sentido conectar 100nF em paralelo a 10µF.

Você pode ver facilmente no diagrama abaixo que os capacitores de cerâmica modernos de alto valor são tão bons quanto os de baixa frequência, desde que o tamanho da embalagem seja o mesmo. (Os pequenos desvios negativos são as frequências de ressonância. Você não deseja contar com a frequência de ressonância para desacoplar capacitores, portanto esses desvios devem ser ignorados)

_{(Fonte da imagem: Diálogo analógico, setembro de 2005 - Um guia prático para o layout da placa de circuito impresso de alta velocidade )}