Perbedaan: Filter Lulus Rendah dan Kapasitor Besar?

Saat bekerja dengan mikrokontroler, direkomendasikan untuk menempatkan kapasitor filter / decoupling antara pin pasokan dan pentanahan. Saya mengerti tujuan dari implementasi ini, yaitu bahwa tegangan melintasi kapasitor tidak dapat secara instan berubah, tetapi apa perbedaan yang mencolok antara kapasitor singular dan filter low-pass?

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

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Sebagai contoh, jika saya ingin memberikan tegangan referensi ADC saya pasokan bersih untuk membandingkan tegangan input terhadap, saya bisa mewujudkan filter low-pass untuk menolak fluktuasi frekuensi tinggi atau cukup memasukkan kapasitor berukuran cukup.

Pikiran langsung saya adalah bahwa permintaan arus awal dari kapasitor singular dapat sesaat melebihi nilai maksimum MCU, tetapi dengan resistor arus ini akan terbatas. Bukankah dengan LPF (dengan resistor) seseorang berpotensi merancang sedemikian rupa sehingga impedansi keluaran filter tidak terbatas sehingga tidak memuat ADC? Demikian pula, kapasitor sendiri akan menyediakan penyaringan tegangan yang cukup tetapi tidakkah akan menghasilkan impedansi output yang rendah?

Apa pro dan kontra dari setiap realisasi penyaringan, dan kapan seorang desainer harus menggunakan satu atau yang lain?

Ada pemikiran lain?

Tutup dekat pin daya bukan untuk melindungi bagian dari kebisingan, tetapi untuk menjaga bagian dari menghasilkan suara karena peralihan logika menyebabkan perubahan cepat dalam arus pasokan. Idealnya tutup akan memasok permintaan instan untuk lebih banyak arus tanpa meningkatkan arus kembali ke sumber daya.

Jumlah impedansi pada sisi PSU dari rangkaian - impedansi internal PSU ditambah induktansi, resistansi, dan kapasitansi dari jejak atau bidang - cukup untuk memberikan penyaringan low pass pada sisi input tutup. Saya menganggap topi sebagai catu daya kecil yang dapat merespons permintaan dengan bandwidth dalam kisaran multi-MHz. Regulator yang lebih besar yang memasok sirkuit penuh bereaksi terlalu lambat dan tutupnya adalah sumber daya sementara yang menggantikan atau mem-bypass (atau decouples) PSU. Menempatkan tutup dekat dengan pin daya pada chip meminimalkan hambatan dan induktansi yang akan memperlambat respons.

Bagian CMOS mengkonsumsi sebagian besar daya mereka saat beralih status. Untuk mikroprosesor ini berarti pada tepi jam dan undian saat ini dalam sedikit paku cepat. Ukuran paku bervariasi secepat jam karena setiap instruksi menggunakan kombinasi sirkuit internal yang berbeda. Bayangkan sirkuit yang digunakan dalam memeriksa register untuk nol versus mengambil data dari RAM. Daya yang dibutuhkan berfluktuasi pada laju jam. Semakin besar perubahan saat ini, semakin besar tutupnya. Menghitung ukuran yang tepat adalah masalah memperkirakan sebagian besar dari kita dan tutup keramik 0,1uF sangat umum sehingga harganya sangat rendah. Konstruksi kapasitor juga menjadi perhatian serta perubahan dengan suhu. Beberapa dapat merespons lebih cepat daripada yang lain dan beberapa bervariasi hingga 80% pada kisaran suhu komersial.

Mereka juga disebut topi bypass karena: 1) Mereka dapat "memotong" (pendek) noise PSU frekuensi tinggi ke ground. 2) Mereka dapat "memotong" PSU dan menanggapi permintaan frekuensi tinggi untuk kekuasaan.

Juga disebut "decoupling cap", istilah yang lebih akurat untuk frekuensi tinggi karena mereka "memisahkan" permintaan daya antara bagian dan PSU.

Jawaban singkatnya:

Kapasitor sendiri baik untuk menghantarkan daya saat penarikan daya MCU berubah dengan cepat. Filter RC digunakan untuk memblokir sinyal frekuensi tinggi yang tidak diinginkan.

Jawaban looong:

Dua sirkuit yang berbeda digunakan untuk tujuan yang berbeda. Seperti yang telah Anda nyatakan, tegangan melintasi kapasitor tidak dapat berubah secara instan.

Saya yakin Anda tahu itu

1. MCU membutuhkan tegangan minimum untuk beroperasi
2. MCU membutuhkan jumlah daya yang bervariasi selama operasi

Karena daya sama dengan tegangan * arus (P = VI) dan tegangan harus konstan maka setiap perubahan daya memanifestasikan dirinya sebagai perubahan arus.

Untuk desain hipotetis dengan regulator tegangan dan MCU:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Katakanlah kita menghapus C2:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

(Maaf untuk berbagai skema saya belum membuat akun untuk situs skema itu dan saya harus terus menggambar ulang)

Jika regulator tegangan yang memasok daya ke MCU sempurna dan tidak ada induktansi parasit atau hambatan jejak MCU akan menarik berbagai jumlah arus dan regulator tidak akan menurunkan atau menaikkan tegangan itu. Sayangnya di dunia nyata papan sirkuit lebih terlihat seperti ini:

^{mensimulasikan rangkaian ini}

(Catatan cepat: dalam konteks ini induktor dapat dianggap sebagai resistor pada frekuensi tinggi)

Karena induktansi parasit dari papan, resistansi jejak, dan fakta bahwa regulator tidak dapat merespons perubahan arus secara instan tegangan akan turun dan naik karena MCU menarik lebih atau kurang masing-masing arus.

Sebagai referensi di sini adalah grafik dari Lembar Data LM7805

ST 7805

Ini menunjukkan waktu respon hingga dari LM7805 yang mengatur tegangan output (segitiga dips dan punuk di garis bawah) ketika beban meningkat dan menurun. Jika regulator sempurna maka 'Deviasi Tegangan' tidak akan naik atau turun ketika ada kenaikan atau penurunan yang relatif cepat dalam arus.

Saya mengerti induktor dapat sedikit membingungkan untuk digunakan pada awalnya jadi demi kesederhanaan Anda dapat mengganti induktor dalam skema di atas dengan resistor dan menambahkan dua resistor bersama-sama dan Anda memiliki resistor di antara regulator dan MCU Anda. Ini buruk karena V = IR dan semakin banyak arus MCU menarik semakin banyak drop tegangan akan terlihat di resistor. (Saya akan menjelaskan lebih banyak tentang apa yang dilakukan resistor ini di bawah ketika saya berbicara tentang Filter RC.

Kembali ke desain aslinya. Kapasitor bypass dimasukkan sedekat mungkin ke MCU sehingga semua induktansi dan hambatan yang ditemukan pada papan sirkuit dan fakta bahwa regulator tidak dapat merespons secara instan tidak akan mempengaruhi level tegangan pada MCU.

Untuk sirkuit (RC) kedua Anda

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Alasan mengapa sebuah resistor tidak boleh ditambahkan untuk mem-bypass MCU adalah karena tegangan melintasi sebuah resistor relatif terhadap arus yang ditarik melewatinya. Ini penting karena jika MCU beroperasi pada 5V dan menarik diam 10mA (beroperasi tanpa melakukan apa-apa) maka ada penurunan tegangan resistor:

R * 10mA = Vdrop

Jadi jika Anda memiliki resistor 50 ohm Anda akan turun 0,5V, ini mungkin mengatur ulang MCU Anda.

Filter lowpass seperti filter RC yang Anda buat di sana tidak baik untuk memasok daya tetapi berguna untuk menyaring komponen frekuensi tinggi dari sinyal.

Ini bagus untuk sinyal yang sedang dibaca dengan ADC karena ADC hanya dapat sampel pada laju tertentu, jadi jika sinyal berubah pada laju yang lebih besar maka sinyal frekuensi tinggi (benar-benar 1/2 laju karena teorema Nyquist ) akan muncul sebagai noise acak sehingga ada baiknya menghapusnya dengan filter RC.

Sebagai contoh katakanlah Anda memiliki ADC yang sampel pada tingkat 10Khz

dan Anda ingin membaca sensor analog yang hanya berubah pada kecepatan 1KHz maka Anda dapat mengatur filter RC Anda untuk memfilter sinyal lebih besar dari 5KHz (Anda mungkin tidak ingin mulai memfilter pada 1KHz karena filter RC memiliki kecil jumlah redaman di bawah frekuensi di mana ia dirancang untuk disaring.

Jadi untuk merancang filter RC untuk mencapai ini, Anda dapat menggunakan resistor:

330 Ohm dan kapasitansi .1uF

Ini adalah kalkulator yang bagus jika Anda perlu menyelesaikan ini untuk frekuensi lain:

Kalkulator RC Luar Biasa

Saya harap saya tetap pada topik yang cukup untuk menjawab pertanyaan Anda.

Perbedaannya adalah bahwa menempatkan hanya kapasitor tergantung pada impedansi catu daya dan impedansi catu chip untuk membuat sisa low-pass filter. Artinya, kedua contoh membuat LPF, resistor eksplisit hanya untuk menyetelnya.

Kamu benar. Ini adalah teknik decoupling, dan kami harus mengikuti saran produsen. Decoupling yang khas terdiri dari:

-> Kapasitor elektrolitik besar (10 ~ 100μF) tidak lebih dari 5cm dari chip. Tujuan dari kapasitor ini adalah untuk memasok "secara lokal" persyaratan arus sesaat, menghindari pengambilan daya ini dari jalur daya utama dan impedansinya. o Ini adalah kapasitor ESR rendah. -> Kapasitor yang lebih kecil (0,01 μF - 0,1 μF) lebih dekat ke pin daya IC, untuk mendorong komponen HF keluar dari IC. Kedua kapasitor harus dihubungkan ke ground area besar pada PCB untuk induktansi minimum. -> Tempat tidur ferit seri dengan pin Vcc IC, untuk mengurangi EMI dari dan ke IC ini.

Seperti yang Anda dapat menilai, di atas adalah teknik umum untuk Linear dan Digital IC. Tapi filter RC yang Anda gambar, didedikasikan untuk decoupling IC digital. Perubahan status gerbang digital, menyebabkan tegangan PS berfluktuasi karena jejak impedansi. Kebisingan frekuensi tinggi dapat diminimalkan menggunakan topologi RC atau LC. Dalam filter LC, noise muncul di koil daripada di chip atau lewat di sirkuit catu daya. Ini memberikan penyaringan yang sangat efisien tetapi memiliki frekuensi resonansi yang dapat memancarkan EMI. Tempat tidur ferit dapat digunakan sebagai pengganti induktor.

Filter RC yang Anda sebutkan, mengubah kebisingan menjadi panas dan karenanya menghilang. Con adalah bahwa resistor menyebabkan penurunan tegangan pada tegangan yang disediakan. Di sisi lain, filter RC lebih murah. Beberapa kali Anda dapat menemukan resistensi luka kawat bukan induktor

Di atas direkomendasikan oleh Silicon Labs dan Perangkat Analog

filter low pass digunakan untuk memblokir sinyal frekuensi tinggi dan noice di atas frekuensi tertentu. Resonansi terjadi pada frekuensi tertentu. Semua sinyal di atas frekuensi resonansi akan di-ground dan tentang kapasitor singulasr yang Anda gambarkan sama.

Filter RC digunakan sebagai pengganti filter LC untuk tujuan ekonomis.