Integridad de alimentación y desacoplo
Antirresonancia: cuando dos condensadores son peor que uno
Por qué mezclar valores puede subir la impedancia en vez de bajarla.
- Lección 8 de 10
- Intermedio
Añades un condensador de 1 µF junto al de 100 nF que ya había, esperando que la impedancia baje en todas partes. En casi todas las frecuencias, baja. En una concreta, sube; a veces por encima de lo que daba cualquiera de los dos por separado.
Ese pico es la antirresonancia, y es la razón de que «añadir más condensadores» no sea una estrategia fiable.
Respuesta rápida. Sí. Entre las resonancias de dos condensadores distintos, el grande ya es inductivo y el pequeño sigue siendo capacitivo: eso es un circuito resonante paralelo, y su impedancia es máxima en la resonancia. Lo único que limita el pico es la resistencia del lazo, así que una pareja de cerámicos de baja ESR lo empeora. Para alta frecuencia suele ser mejor repetir un solo valor que escalonar décadas.
Por qué dos condensadores pueden ser peor que uno
Por encima de su frecuencia de autorresonancia, un condensador es inductivo. Por debajo, es capacitivo.
Pon un 1 µF y un 100 nF en paralelo y habrá una banda entre sus dos resonancias en la que la pieza grande ya se ha vuelto inductiva y la pequeña sigue siendo capacitiva. En esa banda tienes una bobina en paralelo con un condensador, que es un circuito resonante paralelo, y un circuito resonante paralelo tiene impedancia máxima en su frecuencia de resonancia.
Lo único que limita la altura de ese pico es la resistencia del lazo: la ESR de las piezas y la resistencia del montaje. Una pareja de cerámicos de baja ESR, que es justo lo que uno elige para tener impedancia baja, produce un pico antirresonante más alto que una pareja con más pérdidas.
Ésta es la parte incómoda. La misma propiedad que hace buenos a los cerámicos en su resonancia los hace malos entre resonancias.
Qué aspecto tiene en la práctica
| Región de frecuencia | 1 µF solo | 100 nF solo | Los dos juntos |
|---|---|---|---|
| Por debajo de 1 MHz | baja | más alta | baja |
| En la resonancia del 1 µF | la más baja | más alta | baja |
| Entre las dos | subiendo, inductivo | bajando, capacitivo | pico |
| En la resonancia del 100 nF | inductivo | la más baja | baja |
| Por encima de las dos | inductivo | inductivo | inductivo, a la mitad |
Comportamiento cualitativo. La frecuencia y la altura del pico dependen de las piezas reales y de su inductancia de montaje, y la única forma de conocer las tuyas es simular o medir la red de alimentación montada.
El pico se sitúa entre las dos resonancias. Con una década entre las capacidades cae aproximadamente en mitad de esa década, y si tu dispositivo resulta tener contenido de corriente apreciable a esa frecuencia, has construido un amplificador de ruido.
Cuatro formas de tratarlo
Usar menos valores distintos. Varios condensadores del mismo valor en paralelo no antirresuenan entre sí. Bajan la impedancia y desplazan la resonancia conjunta, sin crear un pico entre ellos. Para desacoplo de alta frecuencia suele ser la mejor estrategia, y de paso simplifica las compras.
Acercar los valores. Capacidades más próximas acercan las resonancias, lo que estrecha y rebaja el pico. Un 100 nF y un 220 nF antirresuenan con mucha más suavidad que un 100 nF y un 10 µF.
Aceptar algo de pérdidas. Una pieza con algo más de ESR amortigua el pico. Es uno de los pocos sitios de la electrónica donde un componente peor da mejor resultado, y es la razón de que las piezas de polímero o de tántalo superen a veces a los cerámicos en la banda media pese a tener peores especificaciones.
Llevar el pico a donde no moleste. Si conoces el contenido en frecuencia de tu carga, puedes situar la antirresonancia lejos de él. Eso exige conocer el contenido, lo que te devuelve a la lección 2.
La recomendación práctica
Para casi cualquier placa, por orden:
- Usa un solo valor para el desacoplo de alta frecuencia, repetido tantas
veces como permitan los pines y el espacio, montado lo mejor posible.
- Añade un valor de frecuencia media si hay que cubrir esa banda,
elegido dentro de un factor de diez respecto de las piezas pequeñas, no de cien.
- Añade granel con algo de pérdidas —polímero o electrolítico en vez de
un cerámico grande—, que amortigua en lugar de afilar.
Es casi lo contrario de la costumbre de la escalera de décadas de la lección 7, y para placas digitales rápidas suele ser la mejor respuesta. La escalera supone que las piezas cubren bandas separadas con limpieza; la antirresonancia es la razón de que no lo hagan.
Cuándo merece la pena simular
Respuesta honesta: cuando las consecuencias lo justifican.
Una placa sencilla con un microcontrolador y E/S lenta casi nunca estará limitada por la antirresonancia. Fabrícala, y si el raíl está limpio, está limpio.
La simulación se gana su coste cuando tienes un procesador con impedancia objetivo publicada, muchos raíles o un producto que tiene que pasar EMC con margen. Una gráfica de impedancia de la red de alimentación frente a la frecuencia es práctica estándar a ese nivel, y los fabricantes de procesadores grandes publican curvas de impedancia objetivo precisamente para que se pueda hacer. La guía de PDN de TI para su familia Sitara, por ejemplo, trata la elección de condensadores de desacoplo contra una impedancia objetivo como parte del flujo de diseño y no como algo posterior.
Si estás por debajo de ese umbral, las lecciones de geometría de este curso te servirán más que una simulación.
Qué viene después
La lección 9 se aleja de los condensadores individuales para mirar la red de distribución de alimentación completa, incluido el condensador que te regalan: el propio par de planos.
El comportamiento descrito aquí es cualitativo. Las frecuencias de antirresonancia y las alturas de pico reales dependen de tus piezas, de tu montaje y de tu stackup, y se obtienen mejor de los datos de impedancia del fabricante o de tu propia simulación de la red de alimentación.
Fuentes y lecturas recomendadas
Texas Instruments — SPRAC76: Sitara Processor PDN Implementation and Analysis Analog Devices — MT-101: Decoupling Techniques