Condensatori sull’alimentazione « Quattro Dispositivi

Introduzione

Come abbiamo visto nell’articolo precedente (link) per alcuni progetti è necessario inserire più di un condensatore sulla stessa linea di filtraggio, tutti i motivi sono stati spiegati nel dettaglio nell’articolo succitato.

In questo articolo, invece, spiegheremo le motivazioni per le quali bisogna connettere sulla stessa linea d’alimentazione più condensatori di valore e caratteristiche diverse .

Induttori e resistori parassiti

In un circuito ideale, la tensione d’alimentazione , erogata da un alimentatore o una batteria, è sempre costante ai capi del carico, anche in condizioni dinamiche, cioè quando l’assorbimento varia nel tempo.

Purtroppo, come anticipato, possiamo ragionare in questo modo solo se fossimo in condizioni ideali, ma noi viviamo in un mondo reale dove la perfezione non è di questo pianeta.

Infatti, i collegamenti tra la sorgente d’alimentazione e il circuito integrato hanno una conducibilità che non è infinita, pertanto, dobbiamo considerare la resistenza dei collegamenti ed associare ad esse le resistenze equivalenti presenti tra l’alimentazione e il carico.

Oltre a considerare la resistenza elettrica, dobbiamo valutare anche la sua induttanza, circuiti integrati che lavorano a frequenza maggiore di qualche Mhz essa non può essere trascurata, anzi, risulta essere il fenomeno principale da considerare, se le correnti assorbite non sono elevatissime.

Se consideriamo la caduta di tensione presente ai capi dei due resistori e dell’induttore, che si oppone alle variazioni di corrente elettrica (dalla legge di Lenz), la tensione ai capi del carico, che in questo caso è rappresentato da un circuito integrato, non è costante e il suo valore è funzione delle variazioni di assorbimento del carico.

Un circuito integrato può contenere decine , migliaia o addirittura milioni di Transistor e/o MOSFET, essi quando commutano da uno stato d’interdizione a saturazione (conduzione) o viceversa, in questo intervallo di tempo, si ha un maggior assorbimento di corrente dovuto ad una maggiore richiesta di carica per innescare il cambiamento di stato dei Transistor e/o MOSFET.

Le commutazioni dei Transistor, generalmente, avvengono sui fronti del clock d’ingresso e quindi se mettessimo un oscilloscopio, sull’alimentazione del circuito integrato noi osserveremo che essa presenta dei picchi sincroni con il clock, come in figura 3.

Ovviamente, all’aumentare del numero di Transistor e/o MOSFET, presenti all’interno del circuito integrato, maggiore sarà la diminuzione del livello di tensione.

Mentre, maggiore è la frequenza del clock e minore è il periodo che intercorre tra due picchi.

Per minimizzare gli effetti dei fenomeni appena descritti, si connette in prossimità del pin d’alimentazione del circuito integrato un condensatore, dimensionato in funzione della frequenza di lavoro e del numero di Transistor presenti nel circuito integrato, cioè dall’assorbimento medio di corrente.

Così facendo, durante la fase transitoria di commutazione, la maggiore carica richiesta dal circuito integrato è fornita dal condensatore, accumulata nella fase precedente tra le sue armature.

Voglio far ancora notare, poiché è di fondamentale importanza, il condensatore deve essere posizionato il più vicino e possibile al pin d’alimentazione del circuito integrato, se fosse posto lontano dal pin, la sua efficacia sarebbe limitata o nulla, tra il collegamento del condensatore e il circuito integrato si formano altri induttori e resistori parassiti che limitano l’efficacia del condensatore.

Risonanza induttori e capacità parassite

La risonanza, per alcune applicazioni, come gli oscillatori è un fenomeno fondamentale per il corretto funzionamento del circuito, mentre per altre applicazioni è dannoso e può provocare dei malfunzionamenti.

All’interno di un circuito integrato si formano dei condensatori e induttori parassiti e in corrispondenza delle commutazioni delle uscite (vedi figura 4), dove la forma d’onda ha un elevato contenuto armonico.

L’elevato contenuto armonico, del segnale d’uscita, potrebbe innescare la risonanza dei condensatori e gli induttori parassiti, interni al circuito integrato, e generare delle oscillazioni sia sulle uscite che sull’alimentazione come in fuigura 5

Il contenuto armonico di un segnale è funzione del tempo di salita e discesa del segnale, vedi figura 6

Grazie all’avanzamento tecnologico dei circuiti integrati i tempi di commutazione si sono notevolmente ridotti e questo ha reso i dispositivi molto più veloci. Questo grosso vantaggio però ha come effetto collaterale l’aumento considerevole del contributo armonico dei segnali che causa un aumento della probabilità d’innesco della risonanza dei componenti LC parassiti.

Anche questo effetto indesiderato, può essere limitato inserendo un condensatore di filtro sul pin d’alimentazione, in questo modo le oscillazioni vengono filtrate dal condensatore che alle variazioni presenta una bassa impedenza.

Perché usare condensatori di valore diverso sull’alimentazione

Come abbiamo visto nell’articolo ( link) un condensatore reale può essere rappresentato come un circuito serie formato da un condensatore , un induttore e un resistore, come in figura 7

Rappresentiamo sull’asse cartesiano, il valore della reattanza di un condensatore in funzione della frequenza, vedi figura 8.

Nella figura 8, possiamo distinguere due aree, la parte a sinistra, a frequenze basse, si ha una prevalenza degli effetti reattivi legati al condensatore, mentre nella parte destra , a frequenza più alte, prevale la reattanza dovuta all’induttore.

Alla frequenza di risonanza la reattanza capacitiva e induttiva si annullano a vicenda ed è presente il solo contributo resistivo.

Negli induttori l’impedenza aumenta con la frequenza, mentre nel condensatore è l’inverso.

Se avessimo usato un solo condensatore con le caratteristiche descritte nella figura 8, sarebbe stata un’ottima soluzione per le basse frequenze, ma attualmente, soprattutto in sistemi che usano FPGA, la frequenza di lavoro di questi dispositivi può raggiungere anche i Ghz, pertanto, la soluzione con un solo condensatore non è efficace alle alte frequenze.

I condensatori con capacità diverse, hanno, generalmente, differenti package, induttori parassiti e caratteristiche.

Usare condensatori diversi, ha il vantaggio di aver caratteristiche complementari che ci consentono di ampliare la banda d’intervento dei condensatori, una figura può chiarire meglio il concetto.