Qual é a utilidade de um capacitor de desacoplamento próximo a um capacitor de reservatório?

Eu já vi alguns circuitos nos quais um capacitor de desacoplamento é usado e um capacitor de reservatório, como este (C4 e C5):

Eu li sobre desacoplamento de capacitores e, para mim, parece que eles destinam-se a remover pequenas flutuações na tensão de alimentação. Então pensei - não era esse o objetivo de um capacitor de reservatório também? Por que o capacitor do reservatório não seria capaz de filtrar as pequenas flutuações, se é capaz de filtrar as grandes flutuações?

Então, sinto que tenho um mal-entendido básico aqui. Qual é o objetivo de um capacitor de desacoplamento ao lado de um capacitor de reservatório, quando assumimos que colocamos ambos igualmente próximos da parte que consome energia? Ou a única vantagem do capacitor de desacoplamento é menor e, portanto, pode ser facilmente colocado mais próximo da parte que consome energia?

A razão mais provável pela qual isso é feito é porque, na vida real, os capacitores não têm largura de banda infinita. Geralmente, quanto maior a capacitância do capacitor, menor será a capacidade de reagir a altas frequências, enquanto capacitores de pequeno valor reagem melhor a frequências mais altas, como visto no gráfico abaixo. O uso de dois capacitores de valores diferentes juntos é feito apenas para melhorar a resposta da filtragem.

Como você diz, uma tampa de desacoplamento e uma tampa do reservatório a granel da fonte de alimentação têm dois propósitos diferentes. Você está certo, pois a tampa de desacoplamento precisa estar fisicamente próxima do consumidor da energia que está desacoplando. O limite máximo pode estar em qualquer lugar da rede elétrica, pois lida com correntes de baixa frequência.

No entanto, a suposição incorreta que você está fazendo é assumir que o esquema esquemático implica um posicionamento físico. Não faz. Em um bom esquema, haverá algumas dicas para posicionamento físico. Nesse caso, não podemos dizer se o capacitor de desacoplamento (C5) está fisicamente próximo ao IC1 (onde deveria estar) ou não.

Pessoalmente, eu não desenharia um esquema dessa maneira exatamente por esse motivo, e acho que fazê-lo é irresponsável. No entanto, o software de captura esquemática irá gerar a mesma lista líquida de qualquer maneira, de modo que os detalhes sejam realmente adequados. Sem um diagrama de layout da placa, você simplesmente não pode dizer. Eu costumo desenhar as tampas de desacoplamento fisicamente próximas de suas partes para dar uma dica de que é isso que pretendo e que pensei sobre isso. Esse é um problema que menciono ao falar sobre como desenhar bons esquemas em https://electronics.stackexchange.com/a/28255/4512 .

Infelizmente, existem muitos esquemas mal desenhados por aí.

Quando dois ou mais capacitores de desacoplamento de valores diferentes são usados ​​em paralelo, é necessário considerar a ressonância paralela que ocorre entre as duas redes.

Clayton Paul descreveu esse fenômeno. Considere um acoplamento paralelo dos capacitores C1, C2, com valores diferentes e C1 >> C2 com o parasita L1 e L2 aproximadamente o mesmo L1 = L2 (figura 1.A).

$f_1$$f_2$

$f_1$$f_1$

$f_2$$f_2$

$f_1 < f < f_2$

Portanto, podemos concluir que o desacoplamento será melhorado nas frequências acima (e abaixo) da frequência na qual as duas redes de capacitores são ressonantes.
O desacoplamento será realmente pior em algumas frequências entre essas duas frequências de ressonância, devido ao pico de impedância causado pela rede ressonante paralela, o que é ruim.

A principal diferença em capacitores pequenos e capacitores eletrolíticos grandes é a resposta em frequência. Os capacitores eletrolíticos têm especificações ruins para frequências mais altas e podem eventualmente falhar devido ao estresse causado pelo ruído de alta frequência. Por sua vez, as altas frequências que o capacitor eletrolítico filtra apenas parcialmente, podem estar na faixa audível superior do seu amplificador.

O capacitor pequeno filtra facilmente o ruído de alta frequência, mas é claro que tem pouco efeito quando se trata da filtragem de ondulação da fonte de alimentação de baixa frequência.

Nem todos os capacitores são criados iguais ... Os capacitores a granel maiores não podem responder tão rapidamente devido à ESR e ESL (resistência e indutância equivalentes em série) que dependem de sua composição.

É claro que existe a capacidade de se aproximar como você mencionou, mas, em geral, um bom esquema terá capacitâncias mais volumosas, mais lentas e maiores quanto mais você se afastar do circuito. as frequências correspondentes que precisam ser tratadas também caem, se feitas corretamente.

O que limita as pequenas capacitâncias de desacoplamento é a auto-ressonância da própria tampa e a indutância dos fios de ligação na embalagem (novamente dependendo da embalagem).

Esse esquema de dimensionamento hierárquico continua dentro do IC, com os nós críticos com capacitores locais para eventos de frequência mais alta. É claro que esses bonés por dentro são os mais caros e os menores de todos.