Chương 12: Các tụ rẽ nhánh và các hệ thống khử ảnh hưởng
12.2. Cách tiếp cận trở kháng hệ thống nguồn
Gần đây, có một cách nhìn mới về vấn đề tách ảnh hưởng giữa các nguồn. Với luận điểm là: cách tiếp cận cổ điển tập trung vào các linh kiện IC riêng lẻ và như vậy là sự lãng phí không cần thiết. Cái gì sẽ đạt được theo mặc định, và có thể đạt được sự kinh tế hơn nếu chúng ta chỉ ra sự mâu thuẫn, là một trở kháng thấp cho hệ thống nguồn tại tấp cả các tần số.
Đáp ứng lý tưởng
Với việc chúng ta đặt các tụ điện bypass xung quanh bảng mạch, theo ngầm định chúng ta đang tạo ra một đường cong hê thống trở kháng nguồn cái mà ở mức cao tại DC và thấp ở tất cả các tần số khác. Bằng cách tập trung vào các ICs riêng lẻ chúng ta đang không tối ưu hệ thống. Điều gì sẽ xẩy ra nếu giờ chúng ta tập trung vào hệ thống? Rồi sự cần thiết của các ICs riêng lẻ sẽ được quan tâm như ngầm định.
Một chủ đề, là để phát triển một chiến lược tách ảnh hưởng các hệ thống nguồn với tính chất lý tưởng trở kháng vô hạn tại DC và trở kháng 0 (hoặc là rất nhỏ) tại tất cả các tần số khác. Kiểu đáp ứng này được biểu diễn trong hình 12-7. Sự lý tưởng tất nhiên là không đạt được nhưng vấn đề là ở mức độ nào chúng ta có thể cho là lý tưởng.
Hình 12-7: Đường đáp ứng lý tưởng với hệ thống nguồn phân tán.
Đáp ứng tụ điện
Cùng bắt đầu với một ví dụ là một tụ điện 0.01µF . Trở kháng Z của một tụ điện lý
tưởng được biểu diễn bởi biểu thức 6-1
Quan hệ này được biểu diễn bằng đường chấm trong 12-8. Nó là một đường thẳng (theo hệ số loga) và theo đó ta thấy trở kháng rất cao ở các tần số thấp và rất thấp ở các tần sổ rất cao.
Hình 12-8: Đường đáp ứng tần số của tụ bypass thực và lý tưởng
Các ảnh hưởng điện cảm
Vấn đề là ở chỗ một tụ điện thật thì không làm việc như vậy. Tất cả các tụ điện thực đều có một số điện cảm gắn với chúng. Một số điện cảm đó được gắn trong cấu trúc của chính thiết bị và một số thì gắn với việc thiết bị được gắn vào bảng mạch như thế nào. Các thiết bị SMT tốt có thể có điện cảm 5 tới 10 nH gắn với nó, bởi một tụ thực 0.01µFthực tế sẽ như trong hình 12-9
Hình 12-9: Tụ bypass thực
Trở kháng của tụ này, là một hàm của tần số, được đưa ra trong công thức 15-1
Công thức 12-1
Đây là đường cong được vẽ liền trong hình 12-8. Chú ý rằng cái này dựa theo đường cong của tụ điện lý tưởng ở các tần số thấp, nhưng do ảnh hưởng của điện cảm dẫn tới đoạn đầu đường cong dốc hơn cho đến khi tiến tới tối một cực tiểu. Khi đó đoạn đầu của nó tăng nhanh. Cực tiểu này xẩy ra khi mà tử số của công thức trở kháng tiến tới 0 (suy ra từ công thức 12-2) trong trường hợp này (C=0.01µF và
L=10nH)
Công thức 12-2:
Chúng ta gọi cực tiểu này là điểm cộng hưởng, hoặc tần số tự cộng hưởng (self- resonant frequency) của tụ. Nó là điểm mà trở kháng của mạch LC này tiến tới 0. Có hai điều nhận ra trong hình 12-8. Đầu tiên là sự tồn tại của một dãy các điểm cộng hưởng, như đã bàn. Thứ hai là hình dạng của đường cong trở kháng trên cộng hưởng. Chúng ta xem xét hình của đường cong như dốc xuống ở bên phải (downward sloping to the right) cộng hưởng và dốc lên ở phải (upward sloping to
the right) sau khi qua điểm cộng hưởng. Ý nghĩa của các thuật ngữ này là các mạch có tính chất điện dung được đặc trưng bởi đường cong dốc lên và các mạch có tính chất điện cảm thì đặc trưng bởi đường dốc xuống. Bởi vậy đường cong trở kháng biểu diễn tính chất điên cảm ở sau điểm cộng hưởng. (Ý nghĩa của điều này là sự dịch pha điện áp là dương sau khi qua điểm cộng hưởng)
Một số người cho rằng ảnh hưởng của một tụ điện bypass không xuất hiện ở trên cộng hưởng; đó là, trên cộng hưởng nó làm việc như là quận cảm và bởi vậy nó không như tụ điện được. Điều này không nhất thiết đúng. Bởi mạch có tín điện cảm trên điểm cộng hưởng, nhưng điện kháng toàn bộ vẫn nhỏ hơn trường hợp tụ điện lý tưởng cho ít nhất một vài dải tần số trên cộng hưởng. Điều đó là bởi vì tụ điện và quận cảm kết hợp với nhau có thể có một trở kháng nhỏ hơn với tụ điện đứng một mình ở các tần số sau cộng hưởng khi mà ảnh hưởng của tụ bao chùm.
Hệ quả
Với những gì đã trình bầy, thì đầu tiên nó cho thấy rằng có thể thiết kế một đường cong đáp ứng trở kháng nguồn cho bất cứ hệ thống nào cái có thể gặp phải một trở kháng bất kỳ tại tất cả các tần số. Kiểu đánh giá này cũng chỉ ra rằng cái này có thể làm với một số tụ nhỏ hơn, hơn là sử dụng cách tiếp cận cổ điển với tụ điện bypass. Một lợi ích của cách tiếp cận này, ít nhất là trên lý thuyết là chúng ta có thể tính toán chính xác hình dạng và giá trị của đường đáp ứng tại tất cả các tần số. Cách tiếp cận này dẫn tới một số kết luận khác biệt đáng kể so với cách tiếp cận cổ điện. Những kết luận gồm có:
Bạn phải đặt loại tụ phải cân nhắc, cả trên quan điểm về giá trị điện dung và tần số tự cộng hưởng của nó.
Thiết kế các tụ planar là cần thiết
Tốt nhất là có một dải rộng giá trị và các tần số tự cộng hưởng (ở đây đề cập cả điện cảm gắn với các tụ và gắn với các đệm và quá trình lắp ráp gắn chúng vào các bảng mạch), hơn là có các nhóm nhỏ hơn các giá trị giống nhau.
ESR trung bình thì tốt hơn so với ESR thấp
Việc sắp đặt tụ không quá quan trọng, trừ khi các điện tích vẫn phải đạt được mức di chuyển 6 in/ns nơi mà cần đến sự ứng sử nhanh.