Pontificia Universidad Catlica de Valparaso

Escuela de Ingeniera Elctrica

EIE 451 Circuitos Electrnicos Digitales

www.cursos.ucv.cl/eie45100/

Capacitores de Desacoplo

Juan Vignolo Barchiesi

www.profesores.ucv.cl/juanvignolo

Descripcin del problema

1. Los circuitos digitales conmutan en tiempos muy breves, generando una gran di/dt en la corriente consumida desde la fuente.

2. Las lneas de conexin de fuente y de tierra contienen inductancias parsitas, en las cuales se pueden generar cadas de tensin significativas como consecuencia de la gran di/dt.

3. Muchos ctos. integ. digitales (registros, contadores, RAM estticas, C) contienen flip-flop, ya que son los elementos bsicos requeridos para almacenar 1 bit de informacin.

4. Los flip-flop pueden cambiar de estado si Vcc flucta demasiado.

Modelo del mecanismo que genera el problema.

Lc representa la inductancia parsita del cable que conecta la fuente al circuito integrado.

Para estimar la magnitud de la fluctuacin en el voltaje de polarizacin del C.I. se supondr que circula un pulso de corriente de forma triangular con una amplitud de 50 mA y un ancho total de 10 nseg, que corresponde al tiempo de conmutacin de familias lgicas comunes.

Ese pulso puede ser ocasionado por consumo interno del C.I. durante la conmutacin, o puede ser requerido para cargar capacidades parsitas conectadas a una o ms lneas de salida que conmutan de 0 a 5 V.

En efecto, si se calcula la carga elctrica asociada al pulso, equivalente al rea bajo la forma de onda de la corriente, se obtiene:

q = 50 mA 10 nseg / 2 = 250 10-12 C

Esa es la carga requerida para producir un cambio de 5 V en un capacitor de

C = q / v = 250 10-12 / 5 = 50 pF

Una capacidad parsita de 50 pF es perfectamente posible en una tarjeta de circuito impreso o en un protoboard. Por lo tanto, basta una capacidad parsita normal para forzar la circulacin de un pulso de corriente tal como el supuesto. El pulso de corriente tiene una di/dt de magnitud 50 mA / 5 nseg = 10 106 A/seg (10 millones de Amperes por segundo). La inductancia de un conductor delgado de 10 cm de largo es del orden de 0.1 H.

Ref: http://www.ee.scu.edu/eefac/healy/indwire.html La magnitud del voltaje originado por el pulso de corriente en el inductor es:

v = L di/dt = 0.1 10-6 10 106 = 1 V

Este voltaje se resta a la tensin de la fuente cuando la corriente aumenta, y se suma cuando la corriente disminuye, haciendo que la tensin de alimentacin flucte entre 4 y 6 V, excediendo la tolerancia permitida, que generalmente es del 5 %, o 0.25 V.

Como los datos asumidos en el clculo anterior son -en buena medida- arbitrarios, no existe ninguna seguridad respecto de la magnitud de la fluctuacin, la cual podra ser menor o mayor, dependiendo de la velocidad de cambio de la corriente y de la inductancia del cable.

Lo importante no es el valor preciso obtenido (1 V), sino el hecho de que es una fraccin significativa de la tensin de alimentacin, por lo que podra alterar la informacin almacenada en los flip-flop del circuito, generando un funcionamiento errtico.

La fuente de poder no puede evitar la fluctuacin de voltaje calculada anteriormente, ya que sta puede aparecer en slo algunos centmetros de cable.

Sin embargo, los capacitores de desacoplo ubicados cerca de los C.I. pueden reducir significativamente las fluctuaciones. Los capacitores actan como depsitos de carga elctrica, que se descargan en una pequea proporcin cuando entregan el pulso de corriente, y se recargan luego en un intervalo de tiempo mayor.

Capacitor de desacoplo Cd ubicado cerca del circuito integrado

Para estimar Cd, se puede asumir que se permite una fluctuacin de 0.01 V en la tensin de alimentacin del C.I. cuando circula el pulso de corriente antes supuesto.

Entonces: Cd = q / v = 250 10-12 / 0.01 = 25 kpF

En la prctica se utilizan capacitores de desacoplo de 10 a 100 kpF. No todos los capacitores fsicos son adecuados para desacoplo de circuitos digitales.

Algunos capacitores (tales como los electrolticos o de tantalio) incluyen una inductancia residual que debilita el efecto de desacoplo en frecuencias altas, pero son adecuados para reducir ripple y ruido de baja frecuencia. Los capacitores cermicos de disco tienen un buen comportamiento en frecuencias altas. Si bien algunos circuitos digitales pueden funcionar correctamente sin capacitores de desacoplo, al no colocarlos se asume un riesgo innecesario, ya que se pueden generar fallas cuyo origen resulta difcil de pesquisar. Por ejemplo, los programas de los microcontroladores pueden ejecutarse en forma incorrecta, creando la impresin de que existe una falla en la lgica del programa, cuando en realidad se trata de un problema en el hardware. Conclusin: Los circuitos digitales debieran incluir al menos 1 capacitor de desacoplo de entre 10 y 100 kpF ubicado cerca de cada C.I.

Ejemplo en circuito bsico de microcontrolador PIC18F4550