1. COURANTS DE COMMUTATION LOGIQUE

Ce n'est un secret pour personne que lors du changement d'état logique, la plupart des appareils numériques subissent un courant d'appel important qui suit immédiatement le front du signal d'horloge (Fig. 1).

Par exemple, un circuit fonctionnant à 100 MHz et consommant environ 4 A en moyenne peut en fait nécessiter 20 A de courant pendant les premières nanosecondes de la séquence d'horloge. (La raison de l'apparition de courants importants lors du changement d'états logiques est examinée dans l'article de B. Carter "Printed Circuit Board Layout Technique", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - note du traducteur.)

De toute évidence, alimenter ce circuit à partir d'une source de 20 ampères augmentera la taille et le coût du produit. De manière moins évidente, les inductances série parasites dans les fils conducteurs, les pistes de circuits imprimés et les conducteurs de composants peuvent empêcher une grande alimentation de répondre rapidement aux changements de courant instantanés. D'autre part, une capacité de charge insuffisante de la source entraînera des chutes de tension instables sur les rails d'alimentation et de masse. Ce phénomène se manifeste généralement par un bruit à haute fréquence.

2. APPLICATION DE CONDENSATEURS COMME ÉLÉMENTS DE DÉPÔT DE PUISSANCE

L'utilisation de condensateurs de découplage permet de répartir le courant de fonctionnement entre les consommateurs en utilisant des chemins de courant à faible impédance (c'est-à-dire une faible inductance pour les courants RF). En pratique, cela signifie que les condensateurs de découplage desservent directement les composants numériques, tandis que l'alimentation se charge de les recharger. La clé pour créer un circuit de découplage fonctionnel et réussi est le choix correct des condensateurs utilisés et le câblage correct de leurs circuits de connexion.

L'utilisation de condensateurs comme éléments de découplage nécessite de comprendre les bases de leur fonctionnement. La figure 2a montre un condensateur idéal - une capacité pour accumuler et stocker une charge et pour la libérer. La figure 3 montre la dépendance en fréquence de l'impédance d'un condensateur idéal - une diminution monotone de la valeur avec l'augmentation de la fréquence. Comme le bruit dominant dans les systèmes numériques est le bruit à haute fréquence (> 50 MHz), la réduction de l'impédance aux hautes fréquences est bien adaptée au découplage de puissance.

Malheureusement, le comportement d'un vrai condensateur n'est pas si simple ; son modèle est illustré à la figure 2b. La conception physique d'un condensateur réel comprend une résistance série équivalente (ESR) et une inductance série équivalente (ESL). De plus, un vrai condensateur a une résistance aux fuites. La somme de ces effets parasites entraîne une modification de la nature de la dépendance en fréquence de l'impédance (Fig. 3).

Le point le plus bas de la dépendance à l'impédance est connu sous le nom de fréquence de résonance propre. Les concepteurs essaient souvent de trouver des condensateurs avec une fréquence de résonance naturelle proche de la fréquence de fonctionnement du système. Cependant, les paramètres des condensateurs réels rendent cette sélection peu pratique à des fréquences d'horloge dépassant 100 MHz. Une règle importante à retenir : les condensateurs de découplage peuvent être utilisés à des fréquences inférieures à leur propre fréquence de résonance, tant que leur impédance à ces fréquences reste suffisamment basse.

La chute de tension aux bornes de la résistance série équivalente d'un condensateur est proportionnelle au courant qui le traverse. Puisqu'il est important de maintenir la stabilité de la tension d'alimentation, il est souhaitable d'utiliser des condensateurs à faible ESR (c'est-à-dire inférieur à 200 mΩ) dans les circuits de découplage. L'inductance série équivalente détermine la rapidité avec laquelle un condensateur répond aux changements de courant - les condensateurs avec une valeur ESL inférieure répondront plus rapidement aux changements de flux de courant, ce qui est très important pour les circuits de découplage à haute fréquence. Bien que, en tant que paramètre, l'ESR soit plus largement décrit et étudié, l'ESL est probablement plus important. Tous les condensateurs à montage en surface répertoriés dans le tableau 1 ont des valeurs ESL assez faibles.

Taille	ESL min (nH)	ESL max (nH)
0402	0,54	1,90
0603	0,54	1,95
0805	0,70	1,94
1206	1,37	2,26
1210	0,61	1,55
1812	0,91	2,25
à sorties radiales	6,0	15,0
à sorties axiales	12,0	20,0

Les condensateurs à matériau diélectrique de type I ne dégradent pas leurs performances avec le temps et la température, mais la faible valeur de la constante diélectrique rend leur utilisation comme composants de découplage inefficace. Les condensateurs avec un matériau de type II (c'est-à-dire X7R) sont le meilleur choix en raison de leur bonne stabilité à long terme (perte de 10 % sur 10 ans), de leurs performances thermiques et de leur constante diélectrique élevée. Le matériau de type III a la constante diélectrique la plus élevée et des performances thermiques médiocres (perte de 50 à 75 % à des températures extrêmes) et une faible stabilité à long terme (perte de 20 % sur 10 ans). Parmi les diélectriques populaires, les céramiques multicouches et les synthétiques ont de petites inductances et résistances équivalentes en série. Les condensateurs céramiques sont plus facilement accessibles. Les condensateurs au tantale sont souvent utilisés comme découpleurs généraux à basse fréquence, mais ils ne conviennent pas au découplage local.

Le tableau 1 montre les valeurs ESL typiques pour différents types de boîtiers de condensateurs. La taille est l'élément déterminant de l'inductance série équivalente - généralement, un condensateur plus petit aura une ESL inférieure pour la même valeur de capacité. Les condensateurs avec des valeurs ESL élevées ne conviennent pas pour être utilisés comme éléments de découplage.

En général, la stratégie correcte consiste à trouver le condensateur avec la capacité la plus élevée dans les dimensions globales les plus petites. Cependant, vous devez être prudent avec ce choix. La hauteur du boîtier du condensateur a un effet significatif sur l'ESL. Pour les plages ESL qui se chevauchent dans le tableau 1, un boîtier avec une empreinte PCB plus petite peut être sélectionné. Cependant, la valeur ESL peut être élevée. Par conséquent, lors du choix d'un type de condensateur, il est nécessaire d'être guidé par les paramètres du fabricant pour déterminer la meilleure option de compromis.

3. INDUCTANCE DU CONDUCTEUR

Lors du câblage de composants et de circuits, le principal obstacle à un bon découplage est l'inductance. Avec des approximations très grossières, on peut supposer que l'inductance d'une piste avec une impédance caractéristique de 50 Ω sur un matériau FR-4 sera d'environ 9 pH pour chaque 0,025 mm de longueur. L'inductance d'un seul via est d'environ 500 pH et dépend de la géométrie.

L'inductance est proportionnelle à la longueur, il est donc important de minimiser la longueur du conducteur entre les bornes du composant et le condensateur de découplage. L'inductance est inversement proportionnelle à la largeur de la trace, de sorte que les conducteurs larges sont préférés aux conducteurs étroits.

N'oubliez pas que le chemin courant est toujours une boucle et que cette boucle doit être minimisée. La réduction de la distance entre la broche d'alimentation du composant et la broche du condensateur peut ne pas réduire l'inductance globale. Comment bien positionner le condensateur ? Plus près de la broche d'alimentation du composant ? Ou plus proche de la conclusion de la terre? Ou au milieu entre ces conclusions? Certaines sources recommandent de placer le condensateur près de la borne la plus éloignée du plan d'alimentation ou de masse.

4. OPTIONS DE CÂBLAGE DES CONDENSATEURS

Un bon câblage est extrêmement important pour le fonctionnement efficace des circuits de découplage. Comme le montre le tableau 1, les condensateurs avec une valeur d'inductance série effective inférieure à 1 nH sont tout à fait abordables. L'ajout de seulement 2 nH triplera la valeur ESL du condensateur. La figure 4 montre la variation de la fréquence de résonance propre et l'augmentation de la réactance intégrale lors de l'ajout d'une inductance de conducteur de 2 nH à l'inductance propre de 0,8 nH d'un condensateur de 4,7 nF.

La figure 5 montre plusieurs méthodes pour placer et connecter un condensateur de découplage. Pour simplifier, les schémas ne montrent que les bornes du condensateur et la borne de puissance du composant actif. La connexion entre la borne du condensateur et la borne d'alimentation commune du composant doit également faire l'objet d'une attention particulière.

La figure 5A montre la configuration de câblage la plus courante. La broche d'alimentation du composant est connectée par un conducteur court au bus d'alimentation dans la couche interne via un via. Le condensateur de découplage de l'autre côté de la carte est connecté au même via. Bien que cette approche soit souvent motivée par la facilité de câblage, elle permet aux circuits de découplage de fonctionner efficacement et d'économiser de l'espace de câblage. Deux trous simples ajouteront environ 1 nH d'inductance parasite au circuit de découplage.

Si le condensateur est situé à 50 mils (1,27 mm) du fil du composant, l'inductance ajoutée sera au mieux d'environ 0,9 nH. En éloignant le condensateur du composant actif, les conducteurs seront plus longs et l'inductance parasite sera plus importante.

Variante B représente une amélioration significative possibilité A avec le placement du condensateur de découplage et du composant actif du même côté de la carte de circuit imprimé. Le condensateur est connecté après l'inductance parasite du via. Avec des conducteurs suffisamment courts, le circuit de découplage ajoute moins de 1 nH d'inductance parasite.

Variante D représente le développement de l'option A - pour réduire l'auto-inductance et augmenter la capacité distribuée, les conducteurs sont élargis, ce qui améliore également les caractéristiques du circuit de découplage.

Variante E - modification de l'option B avec des conducteurs plus larges et de meilleures performances.

À première vue, il semble que l'option C soit totalement inadaptée au câblage de découplage, car il n'y a pas de conducteurs reliant directement le composant actif au condensateur de découplage; en fait, ils sont tous deux reliés par des trous aux polygones de puissance et de masse, qui sont situés dans les couches internes. Avec quatre trous, un minimum de 2 nH d'inductance parasite sera ajouté aux circuits de découplage. Cependant, des conducteurs de puissance et de terre très larges ajouteront peu ou pas d'inductance si la longueur n'est pas très grande. Cette option de câblage convient lorsque le condensateur de découplage ne peut pas être placé suffisamment près du composant actif.

Variante F - amélioration de l'option C en ajoutant des trous parallèles supplémentaires. Cet ajout réduit l'inductance parasite des vias d'un facteur deux, améliore les performances du circuit et doit être utilisé chaque fois que l'espace le permet.

5. UTILISATION DE CONDENSATEURS COMPOSITES

Étant donné que les capacités en connexion parallèle s'additionnent et que l'inductance résultante diminue, la connexion en parallèle de deux petits condensateurs avec les mêmes valeurs de capacité peut entraîner un gain qualitatif par rapport à l'utilisation d'un seul gros condensateur. Le résultat final sera la même capacité de découplage et moins d'inductance série équivalente parasite.

En pratique, on évite généralement d'utiliser des condensateurs avec des valeurs de capacité différentes pour créer un découplage local. Les condensateurs composites avec différentes capacités ont une dépendance en fréquence de l'impédance, qui est constituée des dépendances en fréquence des impédances des condensateurs individuels. Un exemple est illustré à la figure 6.

Un condensateur de 47nF est utilisé pour isoler les basses fréquences et un condensateur de 150pF est utilisé pour les hautes fréquences. À première vue, vous pourriez penser que la connexion de ces condensateurs en parallèle améliorera la réponse d'impédance.

Malheureusement, ce n'est pas le cas. Une telle connexion peut causer des problèmes importants à des fréquences comprises entre les fréquences de résonance naturelles des condensateurs. La figure 7 montre que la combinaison de deux condensateurs crée un pic anti-résonnant (et donc une résistance accrue) dans la réponse en fréquence globale.

La source de ce problème est facilement identifiée en regardant le circuit équivalent illustré à la figure 8. Le résultat de la connexion de composants de condensateur parasites est un circuit résonnant classique.

Cependant, les condensateurs composés utilisés comme éléments de découplage sont largement utilisés dans les circuits de précision. Dans ce cas, le choix des condensateurs doit être abordé avec beaucoup de soin, en modélisant des circuits qui incluent tous les composants parasites.