1. HIỆN TẠI CHUYỂN ĐỔI LOGIC

Không có gì bí mật khi thay đổi trạng thái logic, hầu hết các thiết bị kỹ thuật số đều gặp phải dòng điện vào lớn ngay sau mặt trước của tín hiệu đồng hồ (Hình 1).

Ví dụ: một mạch chạy ở tốc độ 100 MHz và tiêu thụ trung bình khoảng 4 A có thể thực sự yêu cầu dòng điện 20 A trong vài nano giây đầu tiên của chuỗi đồng hồ. (Lý do xuất hiện dòng điện lớn khi thay đổi trạng thái logic được xem xét trong bài viết của B. Carter "Kỹ thuật bố trí bảng mạch in", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - ghi chú của người dịch.)

Rõ ràng, việc cấp nguồn cho mạch này từ nguồn 20-amp sẽ làm tăng kích thước và giá thành của sản phẩm. Ít rõ ràng hơn, điện cảm nối tiếp ký sinh trong dây dẫn, dấu vết PCB và dây dẫn thành phần có thể khiến nguồn điện lớn không thể phản ứng nhanh với những thay đổi tức thời của dòng điện. Mặt khác, khả năng chịu tải của nguồn không đủ sẽ dẫn đến sụt áp không ổn định trên đường ray nguồn và đất. Hiện tượng này thường biểu hiện dưới dạng tiếng ồn tần số cao.

2. ỨNG DỤNG TỤ ĐIỆN LÀM PHẦN TỬ TẢI ĐIỆN

Việc sử dụng các tụ điện tách rời cho phép phân phối dòng điện hoạt động giữa những người tiêu dùng bằng cách sử dụng các đường dẫn dòng điện có trở kháng thấp (nghĩa là độ tự cảm thấp đối với dòng điện RF). Trên thực tế, điều này có nghĩa là các tụ điện tách rời trực tiếp phục vụ các thành phần kỹ thuật số, trong khi nguồn điện đảm nhiệm việc sạc lại chúng. Chìa khóa để tạo ra một mạch tách thành công và khả thi là lựa chọn chính xác các tụ điện được sử dụng và đấu dây chính xác các mạch kết nối của chúng.

Sử dụng tụ điện làm phần tử tách rời đòi hỏi phải hiểu những điều cơ bản về cách thức hoạt động của chúng. Hình 2a cho thấy một tụ điện lý tưởng - một điện dung để tích lũy và lưu trữ điện tích cũng như giải phóng nó. Hình 3 cho thấy sự phụ thuộc tần số của trở kháng của một tụ điện lý tưởng - giá trị giảm đơn điệu khi tần số tăng. Do nhiễu chiếm ưu thế trong các hệ thống kỹ thuật số là nhiễu tần số cao (>50 MHz), nên việc giảm trở kháng ở tần số cao rất phù hợp với việc tách nguồn.

Thật không may, hoạt động của một tụ điện thực sự không đơn giản như vậy; mô hình của nó được thể hiện trong Hình 2b. Thiết kế vật lý của tụ điện thực bao gồm điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và điện cảm nối tiếp tương đương (ESL). Ngoài ra, một tụ điện thực sự có khả năng chống rò rỉ. Tổng của các hiệu ứng ký sinh này dẫn đến sự thay đổi bản chất của sự phụ thuộc tần số của trở kháng (Hình 3).

Điểm thấp nhất của sự phụ thuộc trở kháng được gọi là tần số tự cộng hưởng. Các nhà thiết kế thường cố gắng tìm các tụ điện có tần số cộng hưởng tự nhiên gần với tần số hoạt động của hệ thống. Tuy nhiên, các tham số của tụ điện thực làm cho lựa chọn này không thực tế ở tần số xung nhịp vượt quá 100 MHz. Một quy tắc quan trọng cần nhớ: tụ điện tách rời có thể được sử dụng ở tần số thấp hơn tần số cộng hưởng của chính chúng, miễn là trở kháng của chúng ở các tần số này vẫn đủ thấp.

Điện áp rơi trên điện trở nối tiếp tương đương của tụ điện tỷ lệ với cường độ dòng điện chạy qua nó. Vì điều quan trọng là phải giữ cho điện áp nguồn ổn định, nên sử dụng các tụ điện có ESR thấp (tức là dưới 200 mΩ) trong các mạch tách rời. Độ tự cảm nối tiếp tương đương xác định mức độ nhanh chóng của một tụ điện phản ứng với những thay đổi hiện tại - các tụ điện có giá trị ESL thấp hơn sẽ phản ứng nhanh hơn với những thay đổi của dòng điện, điều này rất quan trọng đối với các mạch tách tần số cao. Mặc dù, như một tham số, ESR được mô tả và nghiên cứu rộng rãi hơn, ESL có lẽ quan trọng hơn. Tất cả các tụ điện gắn trên bề mặt được liệt kê trong Bảng 1 đều có giá trị ESL khá thấp.

Kích thước	ESL tối thiểu (nH)	ESL tối đa (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
với các đạo trình xuyên tâm	6,0	15,0
với dây dẫn dọc trục	12,0	20,0

Tụ điện với vật liệu điện môi loại I không làm giảm hiệu suất của chúng theo thời gian và nhiệt độ, nhưng giá trị thấp của hằng số điện môi khiến việc sử dụng chúng làm linh kiện tách rời không hiệu quả. Tụ điện với vật liệu loại II (tức là X7R) là lựa chọn tốt hơn do độ ổn định lâu dài tốt (tổn thất 10% trong 10 năm), hiệu suất nhiệt và hằng số điện môi cao. Vật liệu loại III có hằng số điện môi cao nhất và hiệu suất nhiệt độ kém (mất 50 đến 75% ở nhiệt độ khắc nghiệt) và độ ổn định lâu dài kém (mất 20% trong 10 năm). Trong số các chất điện môi phổ biến, gốm nhiều lớp và chất tổng hợp có điện trở và điện cảm nối tiếp tương đương nhỏ. Tụ gốm dễ tiếp cận hơn. Tụ điện Tantali thường được sử dụng làm bộ tách sóng tần số thấp nói chung, tuy nhiên chúng không phù hợp để tách rời cục bộ.

Bảng 1 cho thấy các giá trị ESL điển hình cho các loại gói tụ điện khác nhau. Kích thước là yếu tố xác định độ tự cảm nối tiếp tương đương - thường thì một tụ điện nhỏ hơn sẽ có ESL thấp hơn cho cùng một giá trị điện dung. Các tụ điện có giá trị ESL cao không phù hợp để sử dụng làm phần tử tách rời.

Nói chung, chiến lược chính xác là tìm tụ điện có điện dung cao nhất trong kích thước tổng thể nhỏ nhất. Tuy nhiên, bạn cần cẩn thận với sự lựa chọn này. Chiều cao của vỏ tụ điện có ảnh hưởng đáng kể đến ESL. Đối với các phạm vi ESL chồng chéo trong Bảng 1, có thể chọn gói có dấu chân PCB nhỏ hơn. Tuy nhiên, giá trị ESL có thể lớn. Do đó, khi chọn loại tụ điện, cần phải được hướng dẫn bởi các thông số của nhà sản xuất để xác định tùy chọn thỏa hiệp tốt nhất.

3. CẤU TRÚC DÂY CHUYỀN

Khi nối dây các thành phần và mạch điện, trở ngại chính để tách rời tốt là độ tự cảm. Với các phép tính gần đúng rất thô, chúng ta có thể giả định rằng độ tự cảm của vết có trở kháng đặc trưng là 50 Ω trên vật liệu FR-4 sẽ vào khoảng 9 pH cho mỗi 0,025 mm chiều dài. Độ tự cảm của một via đơn xấp xỉ 500 pH và phụ thuộc vào dạng hình học.

Độ tự cảm tỷ lệ thuận với chiều dài, vì vậy điều quan trọng là phải giảm thiểu chiều dài của dây dẫn giữa các cực của linh kiện và tụ điện tách rời. Độ tự cảm tỷ lệ nghịch với chiều rộng vết, vì vậy dây dẫn rộng được ưu tiên hơn dây hẹp.

Hãy nhớ rằng đường dẫn hiện tại luôn là một vòng lặp và vòng lặp này phải được giảm thiểu. Việc giảm khoảng cách giữa chân nguồn của linh kiện và chân của tụ điện có thể không làm giảm độ tự cảm tổng thể. Làm thế nào để định vị đúng tụ điện? Gần hơn với chân nguồn của thành phần? Hoặc gần hơn với kết luận của trái đất? Hay ở giữa những kết luận này? Một số nguồn khuyến nghị đặt tụ điện gần thiết bị đầu cuối xa nguồn điện hoặc mặt đất nhất.

4. CÁC LỰA CHỌN DÂY CỦA NGUỒN VỐN

Hệ thống dây điện tốt là cực kỳ quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của các mạch tách rời. Như có thể thấy từ Bảng 1, các tụ điện có giá trị điện cảm nối tiếp hiệu dụng nhỏ hơn 1 nH có giá khá phải chăng. Chỉ cần thêm 2 nH sẽ tăng gấp ba lần giá trị ESL của tụ điện. Hình 4 cho thấy sự thay đổi tần số tự cộng hưởng và tăng điện kháng tích hợp khi thêm độ tự cảm của dây dẫn 2 nH vào độ tự cảm 0,8 nH của tụ điện 4,7 nF.

Hình 5 cho thấy một số phương pháp đặt và kết nối tụ điện tách rời. Để đơn giản, sơ đồ chỉ hiển thị các cực của tụ điện và cực nguồn của thành phần tích cực. Kết nối giữa cực tụ điện và cực nguồn chung của linh kiện cũng phải được chú ý đáng kể.

Hình 5A cho thấy cấu hình nối dây phổ biến nhất. Chân nguồn của linh kiện được kết nối bằng một dây dẫn ngắn với bus nguồn ở lớp bên trong thông qua một lỗ thông. Tụ tách rời ở phía bên kia của bảng được kết nối với cùng một thông qua. Mặc dù cách tiếp cận này thường được thúc đẩy bởi sự dễ dàng đi dây, nhưng nó cho phép các mạch tách rời hoạt động hiệu quả và tiết kiệm không gian đi dây. Hai lỗ đơn sẽ thêm khoảng 1 nH điện cảm ký sinh vào mạch tách.

Nếu tụ điện được đặt cách dây dẫn thành phần 50 mils (1,27 mm), thì độ tự cảm bổ sung sẽ ở mức tốt nhất là khoảng 0,9 nH. Bằng cách đặt tụ điện xa thành phần tích cực, các dây dẫn sẽ dài hơn và độ tự cảm ký sinh sẽ lớn hơn.

Lựa chọn B đại diện cho một sự cải thiện đáng kể phương án A với việc đặt tụ tách rời và linh kiện tích cực trên cùng một mặt của bảng mạch in. Tụ điện được kết nối sau điện cảm ký sinh của via. Với các dây dẫn đủ ngắn, mạch tách thêm ít hơn 1 nH điện cảm ký sinh.

Lựa chọn D đại diện cho sự phát triển của tùy chọn A - để giảm độ tự cảm và tăng điện dung phân tán, các dây dẫn được làm rộng hơn, điều này cũng cải thiện các đặc tính của mạch tách rời.

Lựa chọn E - sửa đổi tùy chọn B với dây dẫn rộng hơn và hiệu suất tốt hơn.

Thoạt nhìn, có vẻ như tùy chọn C hoàn toàn không phù hợp để tách dây, vì không có dây dẫn nào kết nối trực tiếp thành phần tích cực với tụ điện tách rời; trên thực tế, cả hai đều được kết nối thông qua các lỗ với các đa giác nguồn và nối đất, nằm ở các lớp bên trong. Với bốn lỗ, tối thiểu 2 nH điện cảm ký sinh sẽ được thêm vào các mạch tách rời. Tuy nhiên, dây dẫn điện và dây nối đất rất rộng sẽ thêm ít hoặc không có độ tự cảm nếu chiều dài không quá lớn. Tùy chọn nối dây này phù hợp khi không thể đặt tụ tách rời đủ gần với thành phần tích cực.

Biến thể F - cải thiện tùy chọn C bằng cách thêm các lỗ song song bổ sung. Việc bổ sung này làm giảm độ tự cảm ký sinh của vias xuống hai lần, cải thiện hiệu suất mạch và nên được sử dụng bất cứ khi nào không gian cho phép.

5. SỬ DỤNG VỐN COMPOSITE

Do điện dung trong kết nối song song cộng lại và độ tự cảm giảm, kết nối song song của hai tụ điện nhỏ có cùng giá trị điện dung có thể dẫn đến mức tăng định tính so với sử dụng một tụ điện lớn. Kết quả cuối cùng sẽ là cùng một điện dung tách rời và độ tự cảm nối tiếp tương đương ít ký sinh hơn.

Trong thực tế, người ta thường tránh sử dụng các tụ điện có giá trị điện dung khác nhau để tạo ra sự tách rời cục bộ. Các tụ điện hỗn hợp có điện dung khác nhau có sự phụ thuộc tần số của trở kháng, được tạo thành từ sự phụ thuộc tần số của các trở kháng của từng tụ điện. Một ví dụ được hiển thị trong Hình 6.

Tụ điện 47nF được sử dụng để cách ly tần số thấp và tụ điện 150pF được sử dụng cho tần số cao. Thoạt nhìn, bạn có thể nghĩ rằng việc kết nối song song các tụ điện này sẽ cải thiện đáp ứng trở kháng.

Thật không may, nó không phải là. Kết nối như vậy có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng ở các tần số nằm giữa các tần số cộng hưởng tự nhiên của tụ điện. Hình 7 cho thấy rằng sự kết hợp của hai tụ điện tạo ra đỉnh chống cộng hưởng (và do đó tăng điện trở) trong đáp ứng tần số tổng thể.

Nguồn gốc của vấn đề này có thể dễ dàng được xác định bằng cách xem xét mạch tương đương trong Hình 8. Kết quả của việc kết nối các thành phần tụ điện ký sinh là một mạch cộng hưởng cổ điển.

Tuy nhiên, các tụ điện hỗn hợp được sử dụng làm phần tử tách rời được sử dụng rộng rãi trong các mạch chính xác. Trong trường hợp này, việc lựa chọn tụ điện phải được tiếp cận hết sức cẩn thận, mô hình hóa các mạch bao gồm tất cả các thành phần ký sinh.