1. זרמי החלפת לוגיקה

זה לא סוד שכאשר משנים מצבים לוגיים, רוב המכשירים הדיגיטליים חווים זרם פריצה גדול שעוקב מיד אחרי חזית אות השעון (איור 1).

לדוגמה, מעגל הפועל במהירות של 100 מגה-הרץ ומושך בערך 4 A בממוצע עשוי לדרוש זרם של 20 A במהלך הננו-שניות הראשונות של רצף השעון. (הסיבה להתרחשות של זרמים גדולים בעת שינוי מצבים לוגיים נחשבת במאמר של B. Carter "טכניקת פריסת לוח מודפס", elart.narod.ru/articles/article11/article11.htm - הערת המתרגם.)

ברור שהפעלת מעגל זה ממקור של 20 אמפר תגדיל את הגודל והעלות של המוצר. פחות ברור, השראות מסדרות טפיליות בחוטי מוביל, עקבות PCB ומובילים של רכיבים יכולים לגרום לאספקת חשמל גדולה להגיב במהירות לשינויים מיידיים בזרם. מצד שני, קיבולת עומס לא מספקת של המקור תוביל לירידות מתח לא יציבות במסילות החשמל והארקה. תופעה זו מתבטאת בדרך כלל כרעש בתדר גבוה.

2. יישום קבלים כמרכיבי הפקדת כוח

השימוש בקבלי ניתוק מאפשר לחלק את זרם הפעולה בין צרכנים באמצעות נתיבי זרם בעלי עכבה נמוכה (כלומר, השראות נמוכה לזרמי RF). בפועל, המשמעות היא שקבלי הניתוק משרתים ישירות את הרכיבים הדיגיטליים, בעוד שספק הכוח דואג להטעין אותם מחדש. המפתח ליצירת מעגל ניתוק מוצלח הוא הבחירה הנכונה של הקבלים בשימוש והחיווט הנכון של מעגלי החיבור שלהם.

שימוש בקבלים כאלמנטים לניתוק מצריך הבנה של היסודות של אופן פעולתם. איור 2א מציג קבל אידיאלי - קיבול לצבירה ואחסון מטען ולשחרורו. איור 3 מציג את התלות בתדר של העכבה של קבל אידיאלי - ירידה מונוטונית בערך עם הגדלת התדר. מכיוון שהרעש הדומיננטי במערכות דיגיטליות הוא רעש בתדר גבוה (>50 מגה-הרץ), הפחתת העכבה בתדרים גבוהים מתאימה היטב לניתוק הספק.

לרוע המזל, ההתנהגות של קבל אמיתי אינה כה פשוטה; המודל שלו מוצג באיור 2b. העיצוב הפיזי של קבל אמיתי כולל התנגדות סדרה שווה (ESR) ושראות סדרה מקבילה (ESL). בנוסף, לקבל אמיתי יש עמידות בפני דליפה. סכום ההשפעות הטפיליות הללו מוביל לשינוי באופי התלות בתדר של העכבה (איור 3).

הנקודה הנמוכה ביותר של תלות העכבה ידועה בתור תדר התהודה העצמית. מעצבים מנסים לעתים קרובות למצוא קבלים בעלי תדר תהודה טבעי הקרוב לתדר ההפעלה של המערכת. עם זאת, הפרמטרים של קבלים אמיתיים הופכים את הבחירה הזו לבלתי מעשית בתדרי שעון העולים על 100 מגה-הרץ. כלל חשוב לזכור: ניתן להשתמש בקבלי ניתוק בתדרים נמוכים מתדר התהודה שלהם, כל עוד העכבה שלהם בתדרים אלו נשארת נמוכה מספיק.

ירידת המתח על פני התנגדות הסדרה המקבילה של קבל היא פרופורציונלית לזרם הזורם דרכו. מכיוון שחשוב לשמור על מתח האספקה ​​יציב, רצוי להשתמש בקבלים עם ESR נמוך (כלומר, פחות מ-200 mΩ) במעגלי ניתוק. השראות הסדרה המקבילה קובעת באיזו מהירות קבל מגיב לשינויי זרם - קבלים בעלי ערך ESL נמוך יותר יגיבו מהר יותר לשינויים בזרימת הזרם, דבר שחשוב מאוד עבור מעגלי ניתוק בתדר גבוה. למרות שכפרמטר, ESR מתואר ונחקר באופן נרחב יותר, ESL כנראה חשוב יותר. לכל קבלי הרכבה על פני השטח המפורטים בטבלה 1 יש ערכי ESL נמוכים למדי.

גודל	ESL min (nH)	ESL max (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
עם מובילים רדיאליים	6,0	15,0
עם מובילים צירים	12,0	20,0

קבלים עם חומר דיאלקטרי מסוג I אינם פוגעים בביצועיהם עם הזמן והטמפרטורה, אך הערך הנמוך של הקבוע הדיאלקטרי הופך את השימוש בהם כרכיבי ניתוק לא יעיל. קבלים עם חומר מסוג II (כלומר X7R) הם הבחירה הטובה יותר בשל יציבות טובה לטווח ארוך (הפסד של 10% במשך 10 שנים), ביצועים תרמיים וקבוע דיאלקטרי גבוה. לחומר מסוג III יש הקבוע הדיאלקטרי הגבוה ביותר וביצועים תרמיים גרועים (50 עד 75% אובדן בטמפרטורות קיצוניות) ויציבות ירודה לטווח ארוך (20% אובדן במשך 10 שנים). בין הדיאלקטריות הפופולריות, לקרמיקה וסינתטיים רב-שכבתיים יש השראות והתנגדות מקבילות לסדרות קטנות. קבלים קרמיים נגישים יותר בקלות. קבלי טנטלום משמשים לעתים קרובות כמנתקים כלליים בתדר נמוך, אולם הם אינם מתאימים לניתוק מקומי.

טבלה 1 מציגה ערכי ESL טיפוסיים עבור סוגים שונים של חבילות קבלים. גודל הוא המרכיב המגדיר של השראות הסדרה המקבילה - בדרך כלל לקבל קטן יותר יהיה ESL נמוך יותר עבור אותו ערך של קיבול. קבלים בעלי ערכי ESL גבוהים אינם מתאימים לשימוש כרכיבי ניתוק.

באופן כללי, האסטרטגיה הנכונה היא למצוא את הקבל בעל הקיבול הגבוה ביותר בממדים הכוללים הקטנים ביותר. עם זאת, אתה צריך להיות זהיר עם בחירה זו. לגובה מארז הקבל יש השפעה משמעותית על ה-ESL. עבור טווחי ה-ESL החופפים בטבלה 1, ניתן לבחור חבילה עם טביעת רגל קטנה יותר של PCB. עם זאת, ערך ה-ESL עשוי להיות גדול. לכן, בעת בחירת סוג קבלים, יש צורך להיות מונחה על ידי הפרמטרים של היצרן כדי לקבוע את אפשרות הפשרה הטובה ביותר.

3. אינדוקציית מנצח

בעת חיווט רכיבים ומעגלים, המכשול העיקרי לניתוק טוב הוא השראות. עם קירובים גסים מאוד, אנו יכולים להניח שההשראות של עקבות עם עכבה אופיינית של 50 Ω על חומר FR-4 תהיה בערך 9 pH עבור כל 0,025 מ"מ של אורך. השראות של דרך אחת היא בערך 500 pH ותלויה בגיאומטריה.

השראות היא פרופורציונלית לאורך, ולכן חשוב למזער את אורך המוליך בין המסופים של הרכיב לקבל הניתוק. השראות עומדת ביחס הפוך לרוחב העקבות, כך שמוליכים רחבים מועדפים על פני צרים.

זכור שהנתיב הנוכחי הוא תמיד לולאה ויש למזער את הלולאה הזו. הקטנת המרחק בין פין החשמל של הרכיב לפין הקבל עשוי שלא להפחית את השראות הכוללת. כיצד למקם נכון את הקבל? קרוב יותר לפין החשמל של הרכיב? או קרוב יותר לסוף כדור הארץ? או באמצע בין המסקנות הללו? מקורות מסוימים ממליצים למקם את הקבל קרוב למסוף הרחוק ביותר ממישור החשמל או ההארקה.

4. אפשרויות חיווט של קבלים

חיווט טוב חשוב ביותר לפעולה יעילה של מעגלי ניתוק. כפי שניתן לראות מטבלה 1, קבלים עם ערך השראות סדרתי אפקטיבי של פחות מ-1 nH הם סבירים למדי. הוספת רק 2 nH תשלש את ערך ה-ESL של הקבל. איור 4 מציג את השינוי בתדר התהודה העצמית והעלייה בתגובתיות האינטגרלית בעת הוספת השראות מוליך של 2 nH להשראות עצמית של 0,8 nH של קבל 4,7 nF.

איור 5 מציג מספר שיטות להצבה וחיבור של קבל ניתוק. לשם הפשטות, התרשימים מציגים רק את המסופים של הקבל ואת מסוף ההספק של הרכיב הפעיל. יש לתת תשומת לב רבה גם לחיבור בין מסוף הקבל למסוף החשמל המשותף של הרכיב.

איור 5A מציג את תצורת החיווט הנפוצה ביותר. פין הכוח של הרכיב מחובר באמצעות מוליך קצר לאפיק החשמל בשכבה הפנימית דרך דרך. קבל הניתוק בצד השני של הלוח מחובר לאותו דרך. בעוד שגישה זו מונעת לעתים קרובות על ידי קלות החיווט, היא מאפשרת ניתוק מעגלים לעבוד ביעילות וחוסכת מקום בחיווט. שני חורים בודדים יוסיפו כ-1 nH של השראות טפילית למעגל הניתוק.

אם הקבל ממוקם במרחק של 50 מיל (1,27 מ"מ) מההובלה של הרכיב, אז השראות הנוספת תהיה בערך 0,9 nH במקרה הטוב. על ידי הצבת הקבל רחוק יותר מהרכיב הפעיל, המוליכים יהיו ארוכים יותר וההשראות הטפילית תהיה גדולה יותר.

אפשרות ב' מייצג שיפור משמעותי אפשרות א' עם מיקום קבל הניתוק והרכיב הפעיל באותו צד של המעגל המודפס. הקבל מחובר לאחר השראות הטפילית של ה-via. עם מוליכים קצרים מספיק, מעגל הניתוק מוסיף פחות מ-1 nH של השראות טפילית.

אפשרות ד' מייצג את הפיתוח של אפשרות A - להפחתת השראות עצמית ולהגדלת הקיבול המפוזר, המוליכים נעשים רחבים יותר, מה שמשפר גם את המאפיינים של מעגל הניתוק.

אפשרות ה' - שינוי של אפשרות B עם מוליכים רחבים יותר וביצועים טובים יותר.

במבט ראשון, נראה שאופציה C אינה מתאימה לחלוטין לניתוק חיווט, שכן אין מוליכים המחברים ישירות את הרכיב הפעיל לקבל הניתוק; למעשה, שניהם מחוברים דרך חורים למצולעי הכוח והאדמה, הממוקמים בשכבות הפנימיות. עם ארבעה חורים, יתווסף מינימום של 2 nH של השראות טפילית למעגלי הניתוק. עם זאת, מוליכים רחבים מאוד של הספק והארקה יוסיפו מעט השראות אם האורך אינו גדול מאוד. אפשרות חיווט זו מתאימה כאשר לא ניתן למקם את קבל הניתוק קרוב מספיק לרכיב הפעיל.

וריאנט F - שיפור אפשרות C על ידי הוספת חורים מקבילים נוספים. תוספת זו מפחיתה את השראות הטפילית של ה-vias בפקטור של שניים, משפרת את ביצועי המעגל, ויש להשתמש בה בכל פעם שהמקום מאפשר זאת.

5. שימוש בקבלים מורכבים

מכיוון שהקיבולים בחיבור מקביל מסתכמים וההשראות המתקבלת יורדת, חיבור מקביל של שני קבלים קטנים בעלי אותם ערכי קיבול יכול להוביל לרווח איכותי בהשוואה לשימוש בקבל גדול בודד. התוצאה הסופית תהיה אותו קיבול ניתוק ופחות השראות סדרה מקבילה טפילית.

בפועל, בדרך כלל נמנעים משימוש בקבלים בעלי ערכי קיבול שונים כדי ליצור ניתוק מקומי. לקבלים מורכבים בעלי קיבולים שונים יש תלות בתדר של העכבה, המורכבת מתלות התדר של העכבות של קבלים בודדים. דוגמה מוצגת באיור 6.

קבל 47nF משמש לבידוד תדרים נמוכים, וקבל 150pF משמש לתדרים גבוהים. במבט ראשון, אולי תחשוב שחיבור קבלים אלה במקביל ישפר את תגובת העכבה.

למרבה הצער, זה לא. חיבור כזה עלול לגרום לבעיות משמעותיות בתדרים שנמצאים בין תדרי התהודה הטבעית של הקבלים. איור 7 מראה שהשילוב של שני קבלים יוצר שיא אנטי-תהודה (ולכן התנגדות מוגברת) בתגובת התדר הכוללת.

המקור לבעיה זו מזוהה בקלות על ידי התבוננות במעגל המקביל המוצג באיור 8. התוצאה של חיבור רכיבי קבלים טפיליים היא מעגל תהודה קלאסי.

עם זאת, קבלים מורכבים המשמשים כאלמנטים לניתוק נמצאים בשימוש נרחב במעגלים מדויקים. במקרה זה, יש לגשת בזהירות רבה לבחירת הקבלים, ולעצב מעגלים הכוללים את כל הרכיבים הטפיליים.