Diferença: filtro passa-baixo e capacitor grande?

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Ao trabalhar com microcontroladores, é recomendável colocar capacitores de filtro / desacoplamento entre um pino de alimentação e o terra. Entendo o objetivo desta implementação, a saber, que a tensão através de um capacitor não pode mudar instantaneamente, mas quais são as diferenças pendentes entre um capacitor singular e um filtro passa-baixo?

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

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Por exemplo, se eu quisesse fornecer à minha tensão de referência ADC um suprimento limpo para comparar as tensões de entrada, poderia realizar um filtro passa-baixo para rejeitar as flutuações de alta frequência ou simplesmente inserir um capacitor de tamanho adequado.

Meu pensamento imediato é que a demanda inicial de corrente de um capacitor singular poderia momentaneamente exceder a classificação máxima do MCU, mas com um resistor essa corrente seria limitada. Não seria com um LPF (com um resistor) que alguém poderia projetar de tal forma que a impedância de saída do filtro seja infinita para não carregar o ADC? Da mesma forma, um capacitor sozinho forneceria filtragem de tensão suficiente, mas não resultaria em uma baixa impedância de saída?

Quais são os prós e os contras de cada realização da filtragem e quando um designer deve usar um ou outro?

Quaisquer outros pensamentos?

sherrellbc
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Respostas:

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A tampa próxima ao pino de alimentação não é para proteger a peça contra ruídos, mas para impedir que a peça gere ruído, pois a troca lógica causa mudanças rápidas na corrente de alimentação. Idealmente, a tampa forneceria demandas instantâneas por mais corrente, sem aumentar a corrente até a fonte de energia.

A soma das impedâncias no lado da fonte de alimentação do circuito - a impedância interna da fonte de alimentação mais a indutância, resistência e capacitância dos traços ou planos - é suficiente para fornecer uma filtragem de passa-baixa no lado de entrada da tampa. Penso na tampa como uma fonte de alimentação minúscula que pode responder às demandas com uma largura de banda na faixa de multi-MHz. Os reguladores maiores que fornecem um circuito completo reagem muito lentamente e a tampa é uma fonte temporária de energia que substitui ou ignora (ou desacopla) o PSU. Colocar a tampa perto do pino de energia em um chip minimiza a resistência e a indutância que retardariam a resposta.

As peças CMOS consomem a maior parte de sua energia durante a troca de estado. Para microprocessadores, isso significa nas bordas do relógio e o consumo atual ocorre em pequenos picos rápidos. O tamanho dos picos varia tão rápido quanto o relógio, pois todas as instruções usam combinações diferentes de circuitos internos. Imagine o circuito usado na verificação de zero no registro em comparação à busca de dados na RAM. A energia necessária flutua na velocidade do relógio. Quanto maiores as mudanças atuais, maior o limite. Calcular o tamanho certo é uma questão de estimativa para a maioria de nós e a tampa de cerâmica de 0,1uF é tão comum que custa muito baixo. A construção do capacitor também é uma preocupação, além de mudar com a temperatura. Alguns podem responder mais rapidamente que outros e outros variam 80% na faixa de temperatura comercial.

Eles também são chamados de limites de derivação porque: 1) Eles podem "desviar" (curto) o ruído da PSU de alta frequência para o solo. 2) Eles podem "ignorar" a PSU e responder a demandas de alta frequência por energia.

Também chamado de "tampas de desacoplamento", termo mais preciso para altas frequências, pois "desacopla" a demanda de energia entre a peça e a fonte de alimentação.

C. Towne Springer
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Entendo os recursos atuais de fornecimento de um capacitor, mas achei que isso era uma consequência de menor prioridade ao incluí-los no projeto do VCC ao GND. Eu pensei que o principal objetivo de incluir o capacitor era filtrar o ruído de alta frequência que o fio poderia captar da fonte de alimentação / bateria ao pino VCC do MCU. A ideia é que um capacitor carregado mantenha uma tensão de saída suave e curto para aterrar qualquer uma das flutuações de alta frequência da fonte. Quais são os "desacoplamentos" dos capacitores e como os capacitores estão ignorando a PSU?
Sherrellbc
Por "soma das impedâncias", você está se referindo à impedância do comprimento do fio da tampa à fonte de alimentação? Além disso, sob quais condições o MCU exige mais corrente? É claro que haveria uma diferença, mas seria mensurável diferente para uma situação em que o MCU esteja ociosamente fazendo algo em comparação com cálculos um pouco mais pesados?
sherrellbc
@sherrellbc Por "soma de impedâncias", quero dizer a impedância interna da fonte de alimentação (ela possui impedância interna. Se você pudesse corresponder exatamente à impedância do circuito sendo alimentado, obteria a maior eficiência) mais a resistência e a indutância dos traços de PCB ou aviões de força e tenho certeza de que existem mais. Vou editar a resposta.
C. Towne Springer
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A resposta curta:

Um capacitor sozinho é bom para fornecer energia quando o consumo de energia do MCU muda rapidamente. O filtro RC é usado para bloquear sinais indesejados de alta frequência.

A resposta looong:

Os dois circuitos diferentes são usados ​​para finalidades diferentes. Como você afirmou, a tensão no capacitor não pode mudar instantaneamente.

Tenho certeza que você sabe disso

  1. Um MCU requer uma tensão mínima para operar
  2. Um MCU requer uma quantidade variável de energia durante a operação

Como a energia é igual a tensão * corrente (P = VI) e a tensão deve ser constante, qualquer mudança na energia se manifesta como uma mudança na corrente.

Para um projeto hipotético com um regulador de tensão e um MCU:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Digamos que removemos o C2:

esquemático

simule este circuito

(Desculpe pelos vários esquemas, não configurei uma conta para esse site esquemático e preciso continuar redesenhando-o)

Se o regulador de tensão que está fornecendo energia ao MCU fosse perfeito e não houvesse indutância parasitária ou resistência a traços, o MCU consumiria uma quantidade variável de corrente e o regulador não abaixaria ou aumentaria sua tensão. Infelizmente, no mundo real, uma placa de circuito se parece mais com isso:

esquemático

simule este circuito

(Nota rápida: neste contexto, um indutor pode ser pensado em um resistor em alta frequência)

Devido à indutância parasita do painel, a resistência do traço e o fato de os reguladores não poderem responder instantaneamente às mudanças na corrente de consumo, a tensão cai e aumenta à medida que o MCU consome mais ou menos corrente, respectivamente.

Como referência, aqui está um gráfico de uma folha de dados do LM7805

ST 7805

Resposta transitória de um LM7805

Isso mostra o tempo de resposta finito da tensão de saída regulada do LM7805 (o triângulo diminui e aumenta a linha inferior) à medida que a carga aumenta e diminui. Se o regulador fosse perfeito, o 'Desvio de tensão' não aumentaria ou diminuiria quando houver um aumento ou diminuição relativamente rápido da corrente.

Entendo que os indutores podem ser um pouco confusos para serem usados ​​no início, por uma questão de simplicidade, você pode substituir o indutor no esquema acima por um resistor e adicionar os dois resistores juntos e você tem um resistor entre seu regulador e o MCU. Isso é ruim porque V = IR e quanto mais corrente o MCU consome, mais uma queda de tensão será vista através do resistor. (Vou explicar mais sobre o que esses resistores fazem abaixo quando falo sobre filtros RC.

Voltar ao design original. O capacitor de derivação é colocado o mais próximo possível do MCU, de modo que todas as indutâncias e resistências encontradas em uma placa de circuito e o fato de um regulador não poder responder instantaneamente não afetem o nível de tensão no MCU.

Para o seu segundo circuito (RC)

esquemático

simule este circuito

A razão pela qual um resistor não deve ser adicionado para ignorar uma MCU é porque a tensão através de um resistor é relativa à corrente que está sendo extraída através dele. Isso é importante porque se um MCU opera em 5V e consome 10mA inativo (operando sem fazer nada), há uma queda de tensão nesse resistor de:

R * 10mA = Vdrop

Portanto, se você tivesse um resistor de 50 ohms, diminuiria 0,5V, isso pode redefinir seu MCU.

Um filtro passa-baixo, como o filtro RC que você desenhou, não é bom para fornecer energia, mas é útil para filtrar os componentes de alta frequência de um sinal.

Isso é ótimo para sinais que estão sendo lidos com um ADC porque um ADC só pode amostrar em uma taxa específica; portanto, se um sinal estiver mudando a uma taxa maior que os sinais de alta frequência (realmente 1/2 da taxa devido ao teorema de Nyquist) ) será exibido como ruído aleatório, por isso é bom removê-lo com um filtro RC.

Como exemplo, digamos que você tenha um ADC que faça amostragens a uma taxa de 10Khz

e você deseja ler um sensor analógico que muda apenas a uma taxa de 1KHz, você pode configurar seu filtro RC para filtrar sinais maiores que 5Khz (você provavelmente não deseja começar a filtrar a 1Khz porque um filtro RC tem um pequeno quantidade de atenuação abaixo da frequência em que foi projetada para filtrar.

Portanto, para projetar um filtro RC para conseguir isso, você pode usar um resistor de:

330 Ohms e uma capacitância de .1uF

Aqui está uma ótima calculadora, se você precisar resolver isso para outras frequências:

Awesome RC Calculator

Espero ter permanecido no tópico o suficiente para responder à sua pergunta.

Dave
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De onde vem a indutância parasitária? Eu pensei que a indutância era um produto apenas de bobinas nos fios. Os traços de PCB são lineares, pensei.
Sherrellbc
Qual seria o efeito sobre a eficácia do capacitor se ele fosse colocado mais longe do MCU?
Sherrellbc
This is bad because V=IR and the more current the MCU draws the more of a voltage drop will be seen across the resistor.Esse suplemento atual não seria originário de C2 (supondo que estivesse presente)? E como você aproximaria a quantidade de corrente ou o tempo de extração disponível em C2, de modo que a tensão no capacitor não mude? Além disso, qual é o propósito de C1?
sherrellbc
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@sherrellbc - Se o capacitor estiver mais distante do MCU, você poderá ver mais ruídos de comutação gerados pelo MCU. Basicamente, você está inserindo um indutor e um resistor muito pequenos em série entre a tampa do filtro e o MCU, o que impede que a tampa do filtro faça seu trabalho com a mesma eficácia.
TimH - Codidact
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Para responder à sua pergunta 'De onde vem a indutância parasitária?' Todos os traços, componentes e vias têm uma indutância parasitária. A indutância é propriedade de um condutor, pelo qual uma mudança de corrente no condutor cria uma tensão no próprio condutor e em qualquer condutor próximo indutor da Wikipedia . Esta definição não diz nada sobre uma bobina. Um traço é um condutor, portanto, um indutor, um indutor com bobinas é apenas um caso especial em que o valor da indutância é mais rigorosamente controlado.
Dave
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A diferença é que a colocação apenas do capacitor depende da impedância da fonte de alimentação e da impedância da fonte do chip para formar o restante do filtro passa-baixo. Ou seja, ambas as instâncias criam um LPF, o resistor explícito é simplesmente para ajustá-lo.

Ignacio Vazquez-Abrams
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Eu vejo. Eu não considerei os pinos. Como o capacitor faria interface com os modelos de pinos de E / S e como a impedância de saída (seria chamada de saída ou entrada?) Dos pinos pode ser calculada para ajustar o LPF?
Sherrellbc
Você pode ter uma idéia geral da carga observando os requisitos de corrente de alimentação do seu circuito. Isso varia à medida que os transistores alternam, mas, em geral, você deseja que a frequência de rolagem não ultrapasse muito algumas dezenas de hertz. Para um circuito pequeno, apenas um capacitor pode funcionar, mas para circuitos maiores, geralmente você precisará de um indutor (em vez de um resistor) para manter a filtragem.
Ignacio Vazquez-Abrams
O que se entende por frequência de rolagem neste contexto? E o indutor seria usado para filtrar a corrente à medida que o capacitor filtra as flutuações de tensão?
sherrellbc
A frequência de roll-off é geralmente o ponto -6dB . Um circuito LC pode atuar como um LPF, com cada dispositivo responsável por manter seu respectivo componente estável.
Ignacio Vazquez-Abrams
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Você está certo. Essa é a técnica de dissociação, e temos que seguir as sugestões dos fabricantes. A dissociação típica consiste em:

-> Um capacitor eletrolítico grande (10 ~ 100μF) a não mais de 5 cm de distância do chip. O objetivo deste capacitor é suprir “localmente” os requisitos instantâneos de corrente, evitando tirar essa energia da linha de força principal e sua impedância. o Este é um capacitor de baixa ESR. -> Um capacitor menor (0,01 μF - 0,1 μF) mais próximo dos pinos de energia do IC possível, para expulsar os componentes de alta frequência do IC. Ambos os capacitores devem ser conectados a uma grande área de terra na placa de circuito impresso para uma indutância mínima. -> Um leito de ferrite em série com pino Vcc de IC, para reduzir EMI de e para este IC.

Como você pode julgar, as técnicas acima são técnicas gerais para CI linear e digital. Mas o filtro RC que você desenha, é dedicado ao desacoplamento digital de IC. As mudanças no estado das portas digitais fazem com que a tensão PS flutue devido à impedância do traço. O ruído de alta frequência pode ser minimizado usando topologias RC ou LC. No filtro LC, o ruído aparece através da bobina, e não no chip ou no circuito da fonte de alimentação. Ele fornece uma filtragem muito eficiente, mas possui uma frequência ressonante que pode irradiar EMI. Uma cama de ferrite pode ser usada em vez do indutor. insira a descrição da imagem aqui

O filtro RC que você mencionou, converte ruído em calor e, como tal, é dissipado. Con é que o resistor introduz uma queda de tensão na tensão fornecida. Por outro lado, o filtro RC é mais barato. Algumas vezes você pode encontrar uma resistência de enrolamento de fio em vez de indutor

Os itens acima são recommentados pela Silicon Labs e Analog Devices

GR Tech
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Por radiateque você está se referindo à possibilidade de que o filtro LC pode emitir EMR e causar interferência em algum componente vítima nas proximidades?
sherrellbc
Direita. Por exemplo, uma rede de desacoplamento com 100μF e 1μH ressoa a 16kHz. Se essa frequência aparecer na linha de energia, isso causará um problema. A maneira de corrigir isso é adicionar uma pequena resistência (ou seja, 10Ω próximo ao IC) em série com bobina para abaixar o Q, ou um leito de ferrite para frequências acima de 100kHZ. O método de dissociação também depende do tipo de fonte de alimentação em uso (linear ou chaveado) e tem um efeito importante no espectro (problemas de SNR) e no formato das formas de onda (toque etc) em dispositivos com relógio acima de 1,5 GHz e 14- bit ADC
GR Tech
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O filtro passa-baixo é usado para bloquear sinais de alta frequência e ruído acima da frequência específica. A ressonância ocorre nessa frequência específica. Todos os sinais acima da frequência de ressonância serão aterrados e aproximadamente o capacitor que você descreveu é o mesmo.

O filtro RC é usado em vez do filtro LC para fins econômicos.

mandaliya saurin
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