Odsprzęganie - krótko i na temat

Przykładowe laminaty dobre do odsprzęgania metodą pojemności zagrzebanej firmy Sanmina

Odsprzęganie nie polega bowiem na dostarczaniu układowi scalonemu chwilowego prądu przełączania z umieszczonego przy nim kondensatora, tylko z obwodu L-C. Indukcyjność tego obwodu bierze się z samego kondensatora (zwykle 1-2 nH dla kondensatora SMT), ze ścieżek połączeniowych (zwykle 5-20 nH, zależnie od układu) i z obudowy układu scalonego (zwykle 4-15 nH, zależnie od jego rodzaju).

Rozsądnie oceniona sumaryczna indukcyjność może zatem wynosić od 10 do 37 nH. Indukcyjność ta ogranicza skuteczność odsprzęgania. Nie można zapominać, że pomiędzy zasilaniem i masą jest w rzeczywistości umieszczany obwód L-C, a nie tylko pojemność C!

Zakres do 50 MHz

Tradycyjny sposób odsprzęgania jest skuteczny do częstotliwości około 50 MHz, z uwzględnieniem harmonicznych częstotliwości zegarowej. Przy doprowadzeniach zasilania i masy układu scalonego należy umiejscowić jeden lub dwa kondensatory 0,1 μF lub 0,01 μF w sposób minimalizujący obszar pętli połączeń kondensatorów z układem.

Zakres od 50 do 500 MHz

Rys. 1. Układ warstw dla odsprzęgania metodą pojemności zagrzebanej dla laminatu 8-warstwowego

Powyżej 50 MHz skuteczność odsprzęgania oddzielnymi kondensatorami już zawodzi. W tym zakresie niezbędne staje się odsprzęganie pojemnościami rozproszonymi. Efekt ten może zostać osiągnięty przez otoczenie układu scalonego wieloma małymi kondensatorami albo przez skorzystanie z rozproszonej pojemności międzypłaszczyznowej, pomiędzy powierzchniami zasilania i uziemienia płytki drukowanej. Zasadniczym sposobem posługiwania się wieloma kondensatorami do odsprzęgania wielkich częstotliwości jest stosowanie jednakowych kondensatorów i rozmieszczenie ich wokół układu scalonego, a nie w jednym miejscu.

Powód jest prosty, w rezultacie równoległego połączenia n obwodów L-C powstaje pojemność nC i indukcyjność L/n. Innymi słowy, n-krotnie większa pojemność i n-krotnie mniejsza indukcyjność, co jest podwójnie korzystne. Dla jednakowych kondensatorów skuteczność odsprzęgania zależy tylko od ich liczby. W praktyce, zależnie od aplikacji, od 4 do 20 kondensatorów.

Na przykład Intel do odsprzęgania mikroprocesora Pentium zaleca użycie ich 41. W przypadku dużej liczby kondensatorów ich dokładne rozmieszczenie nie jest tak ważne, jak w przypadku jednego lub dwóch. Powinny zostać rozmieszczone wokół układu scalonego symetrycznie i równomiernie. Warto tu podkreślić, że do odsprzęgania należy używać kondensatorów jednakowych, a nie różnych, aby uniknąć powstawania antyrezonansów czy rezonansów skrośnych, wywołujących piki impedancyjne.

Zakres od 500 MHz do 5 GHz

Tu konieczne jest wykorzystanie pojemności wbudowanej płytki drukowanej. W zakresie najwyższych częstotliwości nad koncepcją odsprzęgania dyskretnymi pojemnościami przeważyła tendencja korzystania z rozproszonych pojemności pomiędzy płaszczyznami zasilania i uziemienia płytki drukowanej. Gdy pojemność międzypłaszczyznowa wynosi około 1000 pF/cal², czyli 155 pF/cm², technika ta jest skuteczna również przy mniejszych częstotliwościach, do 50 MHz. Standardowa odległość międzywarstwowa płytek 5-10 milsów (0,13-0,25 mm) zapewnia od 0,1 do 0,2 tej pojemności.

Na rynku są dostępne specjalne laminaty o dużej pojemności, np. firmy Sanmina Farad Flex lub Interra, z epoksydowo-szklaną warstwą FR4 o grubości 2 mils (0,05 mm). Laminat ten jest znany pod nazwą ZBC-2000 i zapewnia 500 pF/cal² (77,5 pF/cm²) pojemności międzypłaszczyznowej. Podwajając liczbę płaszczyzn zasilania i uziemienia w płytce drukowanej, podwaja się potrzebną wartość pojemności do 1000 pF/cal².

Technologia ta jest znana od ponad 10 lat, ale dopiero teraz staje się popularna. Przejście do odsprzęgania za pomocą tzw. buried capacitance jest bardzo łatwe, nie trzeba bowiem projektować na nowo rysunku płytki drukowanej, zmienia się w niej tylko układ warstw (stack-up). Wygląda on najczęściej jak na rysunku 1, niemniej możliwe jest oczywiście również inne rozmieszczenie warstw. Stosując ten sam rysunek płytki, łatwo można bezpośrednio porównać działanie układu wykonanego w dwóch różnych technologiach.

Zakres powyżej 5 GHz

Nie ma podstaw do przypuszczania, że technologia buried capacitance (czy też inna podobna) nie mogłaby być stosowana przy jeszcze wyższych częstotliwościach, brak jak dotąd jednak publikacji na ten temat. (KKP)