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¿Cada IC necesita su propio capacitor de derivación cuando hay múltiples IC en el mismo circuito?

Estoy trabajando en un circuito para medir el consumo de corriente de seis servos de hobby para una aplicación de robótica. Mi objetivo es utilizar seis circuitos integrados de sensor de corriente ACS712. La hoja de datos del ACS712 muestra un diagrama de circuito de aplicación típico con condensadores de derivación de 0,1 uF (100 nF). Estoy planeando ampliar ese diseño.

Aplicación típica del ACS712

Mi idea inicial es replicar el diseño típico seis veces como se muestra a continuación, con los condensadores de derivación colocados en la placa de circuito impreso lo más cerca posible de los pines de alimentación del ACS712.

Diseño inicial del circuito de seis canales

Soy consciente de que los seis condensadores de derivación en paralelo se combinan a 600 nF entre los rieles de alimentación. Un poco de lectura me hace tener la esperanza de estar en el camino correcto.

¿Son seis condensadores de derivación como se muestra el enfoque correcto, o se requieren más (o menos)?

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Sí, cada IC debe tener su propio condensador de desacoplamiento. También debería haber algo de capacitancia a granel si la fuente de alimentación no está relativamente cerca o ya está en la misma PCB.

Las tapas de desacoplamiento deben estar «cerca» del IC que están desacoplando. ‘Cerrar’ está mal definido y depende de la impedancia de la PCB, así como del nivel de ruido que puede tolerar en la salida y quizás del ancho de banda que le preocupa.

El sistema probablemente ‘funcionará’ con menos capacitores, pero funcionará ‘mejor’ si agrega los límites apropiados.

No solo eso, sino que si hay varios pines de suministro, debe tener varios condensadores de desacoplamiento. Las cargas internas son las que están causando la caída que nos preocupa, e instantáneamente, eso podría ser bastante si ocurren varios eventos internos al mismo tiempo. Un poco como los biorritmos. Las tapas más grandes cercanas pueden marcar la diferencia, al igual que el suministro de un voltaje en el extremo superior del rango permitido.

Bien para compartir entre varios. Si están todos en una fila, probablemente solo uno en los extremos, o en las posiciones 2 y 5 (por lo que todos están a una distancia máxima de 1 unidad de un capacitor).

Con una construcción de más de 4 capas (plano de tierra), aún menos podría ser razonable: los planos actúan como conexiones casi ideales entre vías.

Hay dos consideraciones: impedancia de suministro y corriente de carga. Bueno, en realidad es uno, pero tiene dos lados.

  1. Manejo de corriente a granel (CA).

El suministro tiene cierta impedancia Z, y cualquier corriente de carga (CA) desarrolla una caída de voltaje ΔV = ΔI Z debido a esa corriente. Esto se puede agitar manualmente como la respuesta de descenso/establecimiento de una corriente de carga escalonada, o más formalmente en el dominio de la frecuencia como la impedancia de la red de suministro.

Cuando las corrientes de carga son independientes, se suman como ruido independiente (un total RMS) en lugar de sumar proporcionalmente. Siempre que esta ondulación del suministro sea lo suficientemente baja como para que a los dispositivos no les importe (dependiendo de su PSRR u otros requisitos), está bien compartir condensadores entre ellos.

Cuando las corrientes de suministro son dependientes (como puede suceder, por ejemplo, con grupos de circuitos integrados lógicos que cambian de estado en el mismo borde del reloj), es posible que necesite un condensador cada uno, o más, para mantener baja la ondulación. Por el contrario, si puede cambiar la fase de las corrientes para cancelarlas, puede obtener ahorros sustanciales (como con SMPS de intercalado de fase).

  1. Estabilidad dinámica.

Particularmente para los circuitos analógicos, la magnitud de la corriente (y su tasa de cambio) puede ser pequeña, pero lo que importa es la ganancia y la fase. Básicamente, los dispositivos pueden mostrar una resistencia negativa en sus pines de suministro o efectos similares cuando se produce una retroalimentación en sus entradas. La impedancia de suministro debe ser lo suficientemente baja y lo suficientemente plana/bien amortiguada para evitar la oscilación.

Tenga en cuenta que, en cualquier lugar donde la curva Z(f) esté cambiando (inclinándose hacia un pico o valle), también es muy reactiva, y uno de esos picos o pendientes puede dar suficiente cambio de fase en la frecuencia correcta para causar oscilación.

Para el n.° 1, la impedancia de suministro debe ser lo suficientemente baja como para que la ondulación producida por un cambio en la corriente de carga en el peor de los casos esté dentro de límites razonables. Esto incluye cambios repentinos en las corrientes, es decir, donde importa el dI/dt, por lo que también incluye baja inductancia. También puede incluir un suministro bien amortiguado, de modo que los patrones desafortunados (digamos que una MCU podría dibujar) no provoquen resonancias.

Para el n.º 2, bastará con tener una impedancia lo suficientemente baja, preferiblemente con una característica resistiva para que las resonancias se amortigüen. Tenga en cuenta que simplemente descargar capacitancia NO es una buena idea, necesariamente: el uso de partes de ESR demasiado bajas exacerba las resonancias entre ellas, debido a las pequeñas trazas de inductancia que las conectan entre sí. Es mejor usar piezas ESR modestas, como tantalio, electrolítico, polímero* o simplemente cerámica antigua con una resistencia en serie.

*Las tapas de polímero de aluminio generalmente tienen una ESR baja, pero la última vez que inspeccioné el mercado, están disponibles en una amplia gama de ESR, que simplemente se agrupan más abajo. Por el contrario, el tantalio suele estar en el lado alto (por ejemplo, 0,1-1 ohm), pero está disponible con menos (especialmente polímero tant). Ambos rangos se superponen, así que elija. No se preocupe por el tipo, simplemente seleccione el ESR apropiado.

Entonces, para el ACS712, el ancho de banda es bastante bajo (se reducen a ~ 100 kHz, y probablemente no tengan mucha respuesta interna por encima de 10 MHz, donde podrían oscilar), y el consumo de corriente es bastante modesto (tal vez 10 s mA si está cargando mucho las salidas). Es posible que se salga con la suya sin capacitancia local (confiando en el siguiente más cercano en el tablero), pero algunos límites locales están bien, probablemente sea seguro hacerlo, y siempre puede intentar sin ellos si necesita optimizar ese par de centavos de costo.

Si se tratara de amplificadores operacionales GBW de 1 GHz, el requisito sería más estricto por ambas razones: debe evitar resonancias dentro del ancho de banda de la pieza (por lo tanto, un par de GHz), y la corriente de carga probablemente sea mayor (digamos, conducir 50 ohm líneas de transmisión a unas 100s MHz). Para este caso, son deseables condensadores locales y compactos (chip pequeño, preferiblemente de cuerpo ancho, con pistas de conexión cortas).

Tenga en cuenta que la inductancia de traza se suma con la inductancia del pin, la vía y el cuerpo del componente, siendo todas del orden de 1 nH/mm de longitud; el uso de trazas anchas, componentes, etc. reduce un poco este factor, al igual que el uso de múltiples vías en paralelo (como flanquear las almohadillas de un condensador de chip). También necesitaría la construcción de un plano de tierra para usar dichos dispositivos.

Tenga en cuenta también que hay una impedancia representativa que depende de la capacitancia y la inductancia. Supongamos que tiene dos capacitores de chip cerámico de 0.1uF conectados en paralelo, separados por 1 cm: hay aproximadamente 10 nH entre ellos, y el bucle en serie totaliza una capacitancia de 50 nF; esto da una impedancia resonante de \$\sqrt{\frac{L}{C}}\$ o 0,44 ohmios, en \$\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}\$ o 7.1MHz. Si esta resonancia se amortigua críticamente (como si se agregara esta cantidad de ESR al bucle), tiene una impedancia máxima de 0,44 ohmios. Sin embargo, el chip de cerámica promedio tendrá una ESR de 0,1 ohmios, por lo que habrá un pico de impedancia significativo. Esto se puede amortiguar agregando el ESR, o reemplazando un capacitor, o conectando en paralelo con él, con un tipo que tenga tanto ESR. El motivo de un seguimiento largo a una pequeña tapa de derivación local, con una tapa «a granel» con pérdidas en paralelo, es una vista común en el diseño de redes de suministro de energía.

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