Elegir valores: la costumbre del 100 nF, a examen

Abre casi cualquier esquema y encontrarás 100 nF junto a cada pin de alimentación. Es el valor más reproducido de la electrónica, y la mayoría de quienes lo colocan no sabrían decir por qué ese número y no 47 nF o 220 nF.

No es un mal valor por defecto. Es un valor por defecto que dejó de examinarse. Esta lección lo examina.

Respuesta rápida. 100 nF es un valor por defecto razonable, no una respuesta. El valor lo fijan tres cosas: la carga que hay que entregar (casi siempre pequeña), la frecuencia más alta a la que necesitas impedancia baja, y la ESL del encapsulado. Cuando la inductancia de montaje domina, subir la capacidad baja la frecuencia de autorresonancia y empeora la pieza en alta frecuencia. Elige antes el encapsulado que el valor.

De dónde viene la costumbre

Un 100 nF en encapsulado cerámico pequeño cae en un compromiso útil. Su frecuencia de autorresonancia se sitúa en las decenas de megahercios con un montaje típico, lo que cubre el contenido de conmutación de muchísimos dispositivos digitales. Es barato, está en catálogo en todos los tamaños y existe en características de temperatura que no se desploman con la polarización continua.

Así que la costumbre está bien fundada. El problema es que el razonamiento que hay detrás casi nunca viaja con el valor, lo que hace que se aplique sin cambios a casos a los que no se ajusta.

Qué fija realmente el valor

Tres preguntas, en este orden.

¿Cuánta carga hay que entregar? De la lección 2: C_min = Q / ΔV. Para casi cualquier carga digital sale un número pequeño —nanofaradios de un solo dígito—, y por eso la capacidad rara vez es la restricción que aprieta.

¿A qué frecuencia hace falta impedancia baja? Ésta es la pregunta de verdad. El condensador sólo sirve por debajo de su frecuencia de autorresonancia, y esa frecuencia depende tanto de la capacidad como de la inductancia total de la pieza más su montaje:

f_sr = 1 / (2π √(L × C))

Y aquí está la consecuencia que sorprende. Cuando la inductancia de montaje domina, aumentar la capacidad baja la frecuencia de autorresonancia y hace la pieza menos útil en alta frecuencia, a cambio de una carga que ya te sobraba.

Con un lazo total de 1,5 nH:

Calculado para una inductancia de lazo supuesta, para enseñar la tendencia. Las piezas reales varían con el encapsulado y el montaje, y los fabricantes publican curvas de impedancia de sus propias piezas: úsalas cuando haga falta precisión.

¿Qué te cuesta el encapsulado? Un tamaño mayor tiene más ESL. Un 10 µF en 1206 puede tener varias veces la ESL de un 100 nF en 0402, lo que empuja su autorresonancia hacia abajo por partida doble: una por la capacidad y otra por la inductancia.

¿Cuándo está mal el 100 nF, entonces?

Cuando el dispositivo conmuta más rápido de lo que la pieza puede seguir. Un condensador que resuena a 13 MHz aporta poco a 200 MHz. Si tu dispositivo tiene flancos por debajo del nanosegundo, necesitas menos inductancia, y eso suele significar un encapsulado más pequeño y mejor montaje, no otro valor.

Cuando la carga es sobre todo de baja frecuencia. Un regulador lineal que alimenta un operacional no necesita tanto 100 nF de desacoplo de alta frecuencia como capacidad de granel y una salida estable. Mira primero los requisitos de estabilidad del propio regulador: muchos LDO especifican una capacidad mínima y un rango de ESR, y saltárselos provoca oscilación, que es un problema peor que un desacoplo imperfecto.

Cuando se lo come la polarización continua. Un X7R de 100 nF en encapsulado pequeño al 80 % de su tensión nominal puede entregar una fracción de su valor nominal. Si necesitas 100 nF, tienes que elegir una pieza que siga teniendo 100 nF con tu polarización real, que es un tema del curso C02 y el error silencioso más frecuente al elegir condensadores.

Cuando la hoja de características dice otra cosa. Los fabricantes caracterizan sus dispositivos y con frecuencia especifican valores y colocación. La guía de TI para una familia MSP430, por ejemplo, pide un cerámico de 10 µF y otro de 100 nF de baja ESR en los pines de alimentación, colocados a pocos milímetros. Ésa es una recomendación medida para esa pieza. Síguela por encima de cualquier regla general, incluido todo lo de esta lección.

Un procedimiento de elección defendible

1. Lee la sección de desacoplo de la hoja del dispositivo. Si especifica

valores, empieza ahí y deja de discutir.

1. Estima la corriente de pico transitoria y el tiempo de flanco (lección 2).
2. Calcula el requisito de carga. Comprueba que se cumple con holgura; casi

siempre se cumple.

1. Identifica la frecuencia más alta a la que necesitas impedancia baja. De

forma aproximada, 0,35 / t_subida da la frecuencia de codo de un flanco.

1. Elige el encapsulado más pequeño que puedas montar bien, porque el

encapsulado fija la ESL y la ESL fija el límite superior.

1. Elige una capacidad cuya autorresonancia, *incluyendo tu inductancia de

montaje*, quede en ese codo o por encima.

1. Comprueba que el valor sobrevive a la polarización continua y a la

temperatura en tu punto de trabajo.

1. Añade aparte la capacidad de granel para el extremo de baja frecuencia

(lección 7).

El paso 5 antes que el 6 es lo que se aparta de la costumbre. Casi todo el mundo elige primero el valor y acepta el encapsulado que venga. Elegir antes el encapsulado suele ser mejor orden, porque el encapsulado decide el techo.

Qué hacer con el valor por defecto

Quédatelo. Un 100 nF en 0402 sigue siendo un valor por defecto sólido para desacoplo digital general, y normalizar una sola pieza en toda una placa tiene ventajas reales en compras y en montaje.

Lo que debería cambiar es el estatus de la decisión. Escribe, una vez por proyecto, por qué se eligió ese valor y qué rango de frecuencias cubre. Así, cuando aparezca un dispositivo con flancos de 500 ps, alguien se dará cuenta de que el valor por defecto ya no llega, en vez de colocarlo por reflejo y depurarlo seis meses después.

Qué viene después

La lección 7 se ocupa del otro extremo: capacidad de granel, piezas de frecuencia media y cómo repartir el rango de frecuencias entre ellas sin crear la antirresonancia de la que trata la lección 8.

Las cifras de autorresonancia están calculadas a partir de una inductancia de lazo supuesta para ilustrar una tendencia; no son especificaciones de ninguna pieza. Usa las curvas de impedancia del fabricante para un componente concreto, y la hoja de características de tu dispositivo manda sobre toda recomendación de esta lección.

Fuentes y lecturas recomendadas

Analog Devices — MT-101: Decoupling Techniques Texas Instruments — SPRABV2: BGA PCB Design and Decoupling