Avkoppling av IC-kretsar

Ett välkonstruerat digital kretskort bör innehålla generella skyddsåtgärder mot störningar. Ett av de medel som står till förfogande är avkopplingskondensatorer, vilka ju oftast även behövs för kretsarnas funktion.

Avkopplingskondensatorerna med tillhörande ledningsbanor påverkar kretskortets EMC-egenskaper på flera sätt. Med rätt val och utförande:

• Reduceras strömslingytor
• Minskas serieinduktansen i matningen
• Minskad dynamisk impedans över frekvensområdet
• Förbättras den lokala laddningsreservoaren för kretsen

Avkopplingskondensatorer

Högintegrerade och snabbt switchande IC-kretsar genererar transienta strömmar i omslagsögonblicket. Dessa strömmar flyter bl a i mönsterkortsledare samt i spännings- och 0-voltsplan. Eftersom varje ledare har en bestämd induktans bildas det en spänningstransient när snabbt swichande strömmar flyter i dom.  Spänningstransienterna kan i sin tur påverka kretsarnas störningsmarginaler och orsaka emissionsproblem.

Noggrann avkoppling av spänningsmatning är grundläggande för en god konstruktion. Avkopplingskondensatorernas uppgift är att bibehålla matningsspännigen inom tillåtna toleranser oberoende av kretsens aktivitet. I och med att spänningsvariationerna begränsas reduceras det alstrade elektriska fältet. Detta uppnås genom att avkopplingskondensatorerna medverkar till en lågimpediv spänningsmatning även vid höga frekvenser.

Avkopplingskondensatorernas uppgift är bland annat att förhindra störnings-energiöverföring från en IC-krets till en annan. Den kan också betraktas som en reservoar som levererar en inrusningsström som IC-kretsen behöver för att skifta spänningsnivå inom specificerad tid i omslagsögonblicket. De relativt långa spänningsmatningsledningarna skulle inte kunna leverera denna ström utan spänningsfall, orsakat av ströinduktansen i ledningarna (ca 1nH/mm).

Rätt avkoppling minskar överhörning mellan kretsar med gemensam spännings-matning samt reducerar ledningsbunden och strålad emission från spännings-matningsledarna genom att filtrera högfrekventa signaler från dessa. Följande ganska självklara konstruktionsregler rekommenderas:

• Minimera spänningstransienterna,
• Styr var transientströmmar skall flyta, och
• Håll dem borta från referensplan (jordplan och spänningsplan) samt förhindra att de kopplar mellan skilda spänningsförsörjningar.

Man kan slå fast att:

• Avkopplingskondensatorer är nödvändiga i digitala konstruktioner med kretsar som har korta omslagstider,
• Avkopplingskondensatorer har sina begränsningar; ofta behövs flera olika värden samt
• Att ledningsinduktanser påverkar avkopplingskondensatorernas effektivitet avsevärt.

Val av kopplingskondensator

Kriterier:

• Leverera tillräcklig laddning tillräckligt snabbt.
• Åstadkomma låg impedans i hela det aktuella frekvensområdet
• Reducera brus på kortnivå
• Reducera uppkomst och utbredning av RF-energi

Det finns flera element som kan försämra en kondensators effektivitet som lågpassfilter. För att fungera effektivt måste en avkopplingskondensator ha låg serieimpedans (några få ohm) vid frekvenser upp till flera hundra MHz. Alla induktanser som finns pga kondensators konstruktion och, inte minst viktigt: montering, försämrar kondensators funktion.

Olika typer av kondensatorer är mer eller mindre lämpade som avkopplingskondensatorer beroende på deras inbyggda egenskaper. Elektrolytkondensatorer och de flesta mylarkondensatorer har en lindad konstruktion med inbyggd hög induktans, som gör dem mindre lämpliga för högfrekvensavkoppling.

Några avgörande parametrar vid val av avkopplingskondensator:

• Kapacitansvärde
• Typ, dvs uppbyggnad och materialval
• Egenresonansfrekvens
• Ekvivalent serieresistans (ESR)
• Anslutningavstånd och benlängd
• Monteringssätt

Placering och montering

Placering av avkopplingskondensatorn och tillhörande anslutningsledarbanor till kretsen har avgörande betydelse för dess funktion. De skall placeras så nära som möjligt intill de komponenter de avser att koppla av och anslutas lågimpedivt (breda ledare, helst direkt mellan spännings- och jordplan) till kretsens spännings-anslutningsben.