Sự khác biệt: Bộ lọc thông thấp và tụ điện lớn?

Khi làm việc với vi điều khiển, nên đặt các bộ lọc / tách tụ giữa một chân cung cấp và mặt đất. Tôi hiểu mục đích của việc thực hiện này, cụ thể là điện áp trên một tụ điện không thể thay đổi tức thời, nhưng sự khác biệt nổi bật giữa một tụ điện đơn và bộ lọc thông thấp là gì?

These are not calculated values; I inserted this just as an illustration.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Ví dụ, nếu tôi muốn cung cấp cho điện áp tham chiếu ADC của mình một nguồn cung cấp sạch để so sánh với điện áp đầu vào, tôi có thể nhận ra bộ lọc thông thấp để loại bỏ các dao động tần số cao hoặc chỉ cần lắp một tụ điện có kích thước phù hợp.

Suy nghĩ trước mắt của tôi là nhu cầu hiện tại ban đầu của một tụ điện đơn lẻ có thể vượt quá định mức tối đa của MCU, nhưng với một điện trở thì dòng điện này sẽ bị hạn chế. Sẽ không phải là với LPF (có điện trở) mà người ta có khả năng thiết kế sao cho trở kháng đầu ra của bộ lọc là vô hạn để không tải ADC? Tương tự, một tụ điện sẽ cung cấp đủ điện áp lọc nhưng nó sẽ không dẫn đến trở kháng đầu ra thấp?

Những ưu và nhược điểm của mỗi lần thực hiện lọc, và khi nào một nhà thiết kế nên sử dụng cái này hay cái kia?

Còn suy nghĩ nào khác không?

Nắp gần chân nguồn không phải để bảo vệ bộ phận khỏi tiếng ồn, mà để giữ cho bộ phận không tạo ra tiếng ồn vì việc chuyển đổi logic gây ra những thay đổi nhanh chóng trong dòng cung cấp. Lý tưởng nhất là nắp sẽ cung cấp nhu cầu tức thời cho dòng điện nhiều hơn mà không tăng dòng điện trở lại nguồn điện.

Tổng các trở kháng ở phía PSU của mạch - trở kháng bên trong của PSU cộng với độ tự cảm, điện trở và điện dung của dấu vết hoặc mặt phẳng - đủ để cung cấp một số bộ lọc thông thấp ở phía đầu vào của nắp. Tôi nghĩ về nắp này như một nguồn cung cấp năng lượng nhỏ có thể đáp ứng nhu cầu với băng thông trong dải tần đa MHz. Các bộ điều chỉnh lớn hơn cung cấp mạch đầy đủ phản ứng quá chậm và nắp là nguồn năng lượng tạm thời thay thế hoặc bỏ qua (hoặc tách rời) PSU. Đặt nắp gần với pin nguồn trên chip sẽ giảm thiểu điện trở và độ tự cảm sẽ làm chậm phản ứng.

Các bộ phận CMOS tiêu thụ phần lớn năng lượng của chúng trong khi chuyển trạng thái. Đối với bộ vi xử lý, điều này có nghĩa là trên các cạnh của đồng hồ và khả năng rút hiện tại là rất nhanh. Kích thước của các gai thay đổi nhanh như đồng hồ vì mỗi lệnh sử dụng các kết hợp khác nhau của các mạch bên trong. Hãy tưởng tượng mạch được sử dụng trong việc kiểm tra một thanh ghi bằng 0 so với tìm nạp dữ liệu từ RAM. Sức mạnh cần thiết dao động ở tốc độ đồng hồ. Những thay đổi hiện tại càng lớn, nắp càng lớn. Tính toán kích thước phù hợp là vấn đề ước tính đối với hầu hết chúng ta và nắp gốm 0,1uF phổ biến đến mức chi phí rất thấp. Cấu tạo tụ điện cũng là một mối quan tâm cũng như thay đổi theo nhiệt độ. Một số có thể phản ứng nhanh hơn những cái khác và một số thay đổi 80% trong phạm vi nhiệt độ thương mại.

Chúng cũng được gọi là bypass bypass vì: 1) Chúng có thể "bỏ qua" (ngắn) tiếng ồn PSU tần số cao xuống đất. 2) Họ có thể "bỏ qua" PSU và đáp ứng nhu cầu năng lượng cao tần.

Còn được gọi là "mũ tách rời", một thuật ngữ chính xác hơn cho tần số cao khi chúng "tách" nhu cầu năng lượng giữa bộ phận và PSU.

Câu trả lời ngắn gọn:

Một tụ điện là tốt để cung cấp năng lượng khi rút điện MCU thay đổi nhanh. Bộ lọc RC được sử dụng để chặn các tín hiệu tần số cao không mong muốn.

Câu trả lời looong:

Hai mạch khác nhau được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Như bạn đã nói, điện áp trên một tụ điện không thể thay đổi ngay lập tức.

Tôi chắc rằng bạn biết điều đó

1. MCU yêu cầu điện áp tối thiểu để hoạt động
2. MCU yêu cầu một lượng điện năng khác nhau trong quá trình hoạt động

Vì công suất bằng điện áp * dòng điện (P = VI) và điện áp phải không đổi nên bất kỳ thay đổi nào về công suất đều biểu hiện dưới dạng thay đổi dòng điện.

Đối với một thiết kế giả thuyết với bộ điều chỉnh điện áp và MCU:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Nói rằng chúng tôi loại bỏ C2:

^{mô phỏng mạch này}

(Xin lỗi vì các sơ đồ khác nhau Tôi chưa thiết lập một tài khoản cho trang sơ đồ đó và tôi cần tiếp tục vẽ lại nó)

Nếu bộ điều chỉnh điện áp cung cấp năng lượng cho MCU là hoàn hảo và không có điện cảm ký sinh hoặc điện trở dấu vết, MCU sẽ rút ra dòng điện khác nhau và bộ điều chỉnh sẽ không hạ hoặc tăng điện áp. Thật không may trong thế giới thực, một bảng mạch trông giống như thế này:

^{mô phỏng mạch này}

(Lưu ý nhanh: trong bối cảnh này, một cuộn cảm có thể được nghĩ về một điện trở ở tần số cao)

Do điện cảm ký sinh từ bảng, điện trở dấu vết, và thực tế là các bộ điều chỉnh không thể đáp ứng với thay đổi hiện tại ngay lập tức, điện áp sẽ giảm và tăng khi MCU rút ra dòng điện tương ứng nhiều hơn hoặc ít hơn.

Như một tài liệu tham khảo ở đây là một biểu đồ từ Bảng dữ liệu LM7805

ST 7805

Điều này cho thấy thời gian đáp ứng hữu hạn của điện áp đầu ra được điều chỉnh LM7805 (tam giác giảm và bướu ở dòng dưới cùng) khi tải tăng và giảm. Nếu bộ điều chỉnh hoàn hảo thì 'Độ lệch điện áp' sẽ không tăng hoặc giảm khi có dòng tăng hoặc giảm tương đối nhanh.

Tôi hiểu rằng cuộn cảm có thể hơi khó sử dụng lúc đầu vì vậy để đơn giản, bạn có thể thay thế cuộn cảm trong sơ đồ trên bằng một điện trở và thêm hai điện trở lại với nhau và bạn có một điện trở ở giữa bộ điều chỉnh và MCU. Điều này là xấu bởi vì V = IR và MCU càng hiện tại rút ra càng nhiều sự sụt giảm điện áp sẽ được nhìn thấy trên điện trở. (Tôi sẽ giải thích thêm về những gì điện trở này làm bên dưới khi tôi nói về Bộ lọc RC.

Quay lại thiết kế ban đầu. Tụ điện bypass được đặt càng gần càng tốt với MCU sao cho tất cả các điện cảm và điện trở được tìm thấy trên bảng mạch và thực tế là bộ điều chỉnh không thể đáp ứng ngay lập tức sẽ không ảnh hưởng đến mức điện áp trên MCU.

Đối với mạch thứ hai (RC) của bạn

^{mô phỏng mạch này}

Lý do không nên thêm điện trở để bỏ qua MCU là vì điện áp trên điện trở có liên quan đến dòng điện được vẽ trên nó. Điều này rất quan trọng vì nếu MCU hoạt động ở mức 5V và rút ra 10mA không hoạt động (hoạt động mà không làm gì) thì sẽ có hiện tượng sụt áp trên điện trở đó của:

R * 10mA = Víp

Vì vậy, nếu bạn có điện trở 50 ohms, bạn sẽ giảm 0,55V, điều này có thể đặt lại MCU của bạn.

Bộ lọc thông thấp như bộ lọc RC mà bạn đã tạo ra không tốt cho việc cung cấp năng lượng nhưng rất hữu ích để lọc các thành phần tần số cao của tín hiệu.

Điều này rất tốt cho các tín hiệu đang được đọc với ADC vì ADC chỉ có thể lấy mẫu ở một tốc độ cụ thể, vì vậy nếu tín hiệu thay đổi ở tốc độ lớn hơn thì tín hiệu tần số cao (thực sự là 1/2 tốc độ do định lý Nyquist ) sẽ hiển thị dưới dạng nhiễu ngẫu nhiên, vì vậy thật tốt khi loại bỏ nó bằng bộ lọc RC.

Ví dụ: bạn có một ADC lấy mẫu với tốc độ 10Khz

và bạn muốn đọc một cảm biến tương tự chỉ thay đổi ở tốc độ 1KHz thì bạn có thể thiết lập bộ lọc RC của mình để lọc các tín hiệu lớn hơn 5Khz (có lẽ bạn không muốn bắt đầu lọc ở 1Khz vì bộ lọc RC có nhỏ lượng suy giảm dưới tần số mà nó được thiết kế để lọc.

Vì vậy, để thiết kế bộ lọc RC để đạt được điều này, bạn có thể sử dụng điện trở:

330 Ohms và điện dung .1uF

Đây là một máy tính tuyệt vời nếu bạn cần giải quyết điều này cho bất kỳ tần số nào khác:

Máy tính RC tuyệt vời

Tôi hy vọng tôi ở lại chủ đề đủ để trả lời câu hỏi của bạn.

Sự khác biệt là việc chỉ đặt tụ điện phụ thuộc vào cả trở kháng cung cấp điện và trở kháng cung cấp chip để tạo ra phần còn lại của bộ lọc thông thấp. Đó là, cả hai trường hợp tạo ra LPF, điện trở rõ ràng chỉ đơn giản là để điều chỉnh nó.

Bạn đúng rồi. Đây là kỹ thuật tách rời, và chúng tôi phải làm theo đề xuất của nhà sản xuất. Phân tách điển hình bao gồm:

-> Một tụ điện điện phân lớn (10 ~ 100μF) cách chip không quá 5cm. Mục đích của tụ điện này là cung cấp cho địa phương các nhu cầu dòng điện tức thời, tránh lấy nguồn điện này từ đường nguồn chính và trở kháng của chúng. o Đây là một tụ điện ESR thấp. -> Một tụ điện nhỏ hơn (0,01 F - 0,1 F) càng gần các chân nguồn của IC càng tốt, để đẩy các thành phần HF ra khỏi IC. Cả hai tụ điện nên được kết nối với một khu vực rộng lớn trên PCB để có độ tự cảm tối thiểu. -> Một giường ferrite trên loạt với chân Vcc của IC, để giảm EMI đến và từ IC này.

Như bạn có thể đánh giá, trên đây là các kỹ thuật chung cho IC tuyến tính và kỹ thuật số. Nhưng bộ lọc RC bạn đang vẽ, nó được dành riêng cho việc tách IC kỹ thuật số. Những thay đổi trong trạng thái cổng kỹ thuật số, làm cho điện áp PS dao động do trở kháng dấu vết. Tiếng ồn tần số cao có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng cấu trúc liên kết RC hoặc LC. Trong bộ lọc LC, nhiễu xuất hiện trên cuộn dây thay vì trong chip hoặc truyền qua mạch cấp nguồn. Nó cung cấp một bộ lọc rất hiệu quả nhưng nó có tần số cộng hưởng có thể phát ra EMI. Một giường ferrite có thể được sử dụng thay vì cuộn cảm.

Bộ lọc RC mà bạn đang đề cập, chuyển đổi tiếng ồn thành nhiệt và như vậy bị tiêu tan. Con là điện trở giới thiệu giảm điện áp trong điện áp được cung cấp. Mặt khác, bộ lọc RC ít tốn kém hơn. Đôi khi bạn có thể tìm thấy một điện trở vết thương dây thay vì cuộn cảm

Những điều trên được đề xuất bởi Phòng thí nghiệm Silicon và Thiết bị analog

bộ lọc thông thấp được sử dụng để chặn tín hiệu tần số cao và nhiễu trên tần số cụ thể. Sự cộng hưởng xảy ra ở tần số cụ thể đó. Tất cả các tín hiệu trên tần số cộng hưởng sẽ được nối đất và về tụ điện công thức mà bạn mô tả giống nhau.

Bộ lọc RC được sử dụng thay cho bộ lọc LC cho mục đích kinh tế.