Ontkoppelen van voedingslijnen
Fig. 1.
Een adekwate ontkoppeling van de voedingslijnen van een schakeling is een zwaar onderschatte noodzaak. Maar al te vaak wordt bij het ontwerp van een print pas op het laatste moment gekeken of er nog ergens plaats is om nog een ontkoppel-C'tje te plaatsen. Men moet er niet vreemd van opkijken als deze nonchalance wordt afgestraft met spontane oscillaties in analoge schakelingen en onbetrouwbaar werkende digitale schakelingen. Met name bij sekwentiële digitale elektronica (tellers en delers, flip-flops) kunnen lastige, moeilijk traceerbare problemen ontstaan.
Voedingslijnen moeten ontkoppeld worden met een kondensator dicht bij het IC. De voedingslijn zelf heeft een bepaalde zelfinduktie. Veranderingen in de stroomopname zullen over deze zelfinduktie een spanningsval veroorzaken waardoor een dip of een spike op de voedingslijn ontstaat. De lokale kondensator heeft de taak deze kortstondige stroom te bufferen.
Kortstondige veranderingen in de stroomopname ontstaan bijvoorbeeld gedurende het schakelen van logica; bij het veranderen van het uitgangsnivo moeten allerlei parasitaire kapaciteiten opgeladen of ontladen worden. Bovendien zullen, juist op het moment van omschakelen, in de uitgangstrap gedurende korte tijd de transistor die naar massa schakelt en de transistor die naar de plus schakelt gelijktijdig in geleiding zijn (figuur 1). De voeding wordt dus kortstondig min of meer kortgesloten. Bij de normale TTL-logica is er in dat geval nog een 50-Ω-weerstand om de stroom te begrenzen, CMOS daarentegen (4000-serie en HC(T)-serie) heeft deze stroombeperking niet. Om deze reden moet CMOS krachtiger ontkoppeld worden dan TTL. De statische stroomopname, die bij TTL vele malen groter is dan bij CMOS, wil dus niets zeggen over de mate waarin de voeding ontkoppeld moet worden.
Ontkoppelkondensatoren moeten met zo kort mogelijke aansluitdraden verbonden worden met de voedingspennen van het te ontkoppelen IC. Vanaf een baanlengte van 2 à 3 centimeter wordt het al kritisch.
Fig. 2.
Voor praktisch gebruik hebben wij een aantal ontkoppel-C's aan de tand gevoeld.
- De natte aluminium-elko heeft vanwege zijn bouwwijze (gerolde folie) een relatief hoge zelfinduktie. Toch blijkt hij in de praktijk prima te voldoen als ontkoppeling. De grootte van de elko maakt niet zoveel uit: 1 µ tot 10 µ zijn geschikte waarden. Grootste nadeel: een nogal beperkte levensduur, zeker bij hogere werktemperaturen.
- De droge aluminium-elko moet kwa prestatie op hetzelfde nivo worden gesteld als de tantaal-kondensator. De levensduur is stukken beter dan die van een natte elko. Als ontkoppel-C voldoen ze prima maar ze zijn, net als tantaalkondensatoren, relatief duur.
- Tantaalkondensatoren: goed maar duur. Worden meestal voor ontkoppeling gebruikt in (professionele) analoge systemen.
- Keramische kondensatoren zijn als het ware geschapen voor ontkoppel-toepassingen. De goede HF-eigenschappen maken dat met een relatief lage kapaciteit (22 n ...100 n) kan worden volstaan; bovendien zijn ze ook goedkoop. De relatief grote tolerantie en het niet lineaire temperatuurgedrag spelen bij ontkoppeling eigenlijk geen rol. De hier in den lande meest gangbare serie keramische kondensatoren (Philips) gaat tot 22 n. Deze grootste waarde (gele kondensator met groen kapje) kan als "standaard" ontkoppelkondensator gekozen worden. Er worden ook keramische kondensatoren speciaal voor ontkoppeldoeleinden gemaakt (22 n, 47 n en 100 n). Ze blijken excellent geschikt voor dit doel.
- Zogenaamde MKT-kondensatoren (gemetalliseerde film, Siemens) hebben ook een goed hoogfrekwentgedrag, maar zijn eigenlijk te goed. Samen met de zelfinduktie van de voedingslijn vormt een cntkoppelkondensator een kring. De opslingering die ontstaat bij het aanstoten van deze kring dempt bij gebruik van een MKTkondensator relatief slecht uit. De hogere verliezen in een keramische kondensator blijken hier van voordeel te zijn.
Basisregels bij ontkoppelen
Voorzie elke printkaart in een systeem van zijn eigen lokale buffer-elko (bijv. 47 µ of 100 µ). Eventuele spanningsstabilisatoren ontkoppelen met 100 n aan ingang en uitgang (minimaal 100 n voor positieve-spanningsregelaars, 220 n voor negatieve regelaars). Eenvoudige logische poorten: een kondensator (min. 22 n) per vier IC's, mits deze dicht genoeg bij elkaar staan. Meer komplexe IC's hebben een kondensator per twee IC's (flip-flops bijvoorbeeld) nodig of een kondensator per IC (achtvoudige circuits, tellers). Ook afzonderlijk gelegen IC's horen een eigen ontkoppelkondensator te krijgen.
Fig. 3.
Bij kritische toepassingen kan de zelfinduktie van de voedingsbanen verlaagd worden door meerdere banen parallel te leggen (figuur 3). Verbreden van de banen heeft, in tegenstelling tot wat vaak gedacht wordt, geen enkel effekt. Het is immers de zelfinduktie van de printsporen en niet de ohmse weerstand die de problemen veroorzaakt. Een ander aspekt is dat de zelfinduktie van de voedingssporen evenredig is met het omvatte oppervlak. Het is daarom gunstiger om die voedingssporen dicht naast elkaar te leggen in plaats van ze via een wijde boog naar de ontkoppelkondensator te laten lopen (figuur 4).
Fig. 4.
Bij gekombineerde analoge en digitale schakelingen op een print kan het analoge deel gescheiden worden door een smoorspoel in serie met de voeding. Dit gaat echter alleen als er geen sprongvormige veranderingen in het stroomverbruik van het lineaire deel van de schakeling te verwachten zijn, anders is het middel erger dan de kwaal.