Tụ bypass và decoupling trong thiết kế PCB

Tụ bypass và Tụ decoupling

Tụ điện là một trong những linh kiện thụ động được sử dụng nhiều nhất . Từ các mạch khuếch đại đơn giản đến các mạch lọc phức tạp, bạn có thể thấy chúng được sử dụng trong nhiều mạch điện tử tương tự và công suất. Mặc dù chúng ta đã tìm hiểu những kiến thức cơ bản về tụ điện và cách hoạt động của nó, nhưng có rất nhiều ứng dụng cho tụ điện. Các tụ Bypass và tụ decoupling là ví dụ về hai ứng dụng được sử dụng rộng rãi khi đề cập đến một tụ điện trong một mạch. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hai loại tụ điện này, chức năng của chúng trong thiết kế và cách chọn tụ điện được sử dụng làm tụ bypass hoặc tụ decoupling.

 

Trong khi các thuật ngữ Tụ bypass và Tụ decoupling được sử dụng thay thế cho nhau, chúng có sự khác biệt riêng. Khi cấp nguồn cho bất kỳ thiết bị nào, mục tiêu chính sẽ là cung cấp trở kháng rất thấp (Tương đối với mặt đất) cho nguồn đầu vào. Để đạt được điều kiện này, việc bypassing được đưa vào các mạch. Để hiểu sự khác biệt giữa hai loại tụ điện, chúng ta hãy đi sâu tìm hiểu về chúng.

 

Tụ điện decoupling

Tụ decoupling được sử dụng để cách ly hoặc tách hai mạch khác nhau hoặc một mạch cục bộ từ mạch bên ngoài, nói cách khác tụ decoupling được sử dụng để tách tín hiệu AC khỏi tín hiệu DC hoặc ngược lại. Tụ decoupling cũng lưu trữ năng lượng từ nguồn cung cấp.

Thực tế là tụ decoupling được sử dụng cho cả hai mục đích và chúng ta có thể định nghĩa tụ decoupling là tụ điện được sử dụng để loại bỏ biến dạng điện và nhiễu và bảo vệ hệ thống / IC bằng cách cung cấp nguồn điện một chiều “sạch”.

Quá trình Decoupling thực sự quan trọng khi nói đến mạch logic. Ví dụ, hãy xem xét một cổng logic có thể hoạt động ở điện áp cung cấp là 5V, nếu Điện áp trên 2,5V thì nó sẽ được đọc là tín hiệu HIGH và nếu Điện áp xuống dưới 2,5V thì nó sẽ đọc là tín hiệu LOW. Vì vậy, nếu có nhiễu trong điện áp cung cấp, nó sẽ kích hoạt các mức cao và thấp trong mạch logic, do đó các tụ điện DC Coupling được sử dụng rộng rãi cho các mạch logic.

 

Chọn một tụ decoupling

Tụ decoupling nên được đặt song song giữa nguồn điện và tải / IC. Khi nguồn điện một chiều cung cấp năng lượng cho mạch, tụ decoupling sẽ có trở kháng vô cùng lớn đối với tín hiệu DC và không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến tín hiệu DC, nhưng nó có trở kháng ít hơn nhiều với tín hiệu AC. Do đó nhiễu có thể đi qua tụ decoupling và chúng sẽ được nối một đầu với GND. Tụ điện sẽ tạo ra một đường dẫn trở kháng thấp để các tín hiệu tần số cao bị đưa về GND, dẫn đến tín hiệu DC “sạch”.

 

Việc xác định vị trí liên quan đến hai tụ điện khác nhau, coi một tụ điện có điện dung 10µF đặt cách xa IC được sử dụng để làm dịu sự thay đổi tần số thấp trong nguồn điện và một tụ điện 0,1 µF đặt gần IC hơn được sử dụng để làm dịu tần số cao, thay đổi trong nguồn cung cấp điện.

Loại tụ được sử dụng nhiều nhất để làm mịn tần số thấp là tụ điện hóa và tụ điện được sử dụng để làm mịn tần số cao là tụ gốm SMD.

Giá trị của tụ decoupling

Không giống như tụ điện Bypass, không có nhiều luật để chọn giá trị của một tụ decoupling . Vì các tụ decoupling được sử dụng rộng rãi nên có một số tiêu chuẩn nhất định để lựa chọn giá trị.

• Giá trị của tụ decoupling nhiễu tần số thấp thường nằm trong khoảng từ 1 µF đến 100 µF
• Tụ decoupling nhiễu tần số cao thường có giá trị từ 0,01 µF đến 0,1 µF.

Giá trị chính xác của tụ điện sẽ được sử dụng luôn được cung cấp cùng với bảng dữ liệu của IC. Các tụ decoupling phải luôn được kết nối trực tiếp với GND trở kháng thấp để nó hoạt động hiệu quả.

Layout tụ decoupling: Đặt gần chân IC/tải nhất có thể, nguồn đi vào tụ trước rồi mới đến IC/tải.

Tụ điện bypass

Tụ điện Bypass được sử dụng để ngăn nhiễu xâm nhập vào hệ thống bằng cách cho nó đi qua và đưa xuống đất. Tụ bypass được đặt giữa các chân của điện áp nguồn (Vcc) và nối đất (GND) để giảm cả nhiễu nguồn cung cấp và kết quả của việc tăng đột biến trên đường cung cấp. Đối với các thiết bị khác nhau và các thành phần khác nhau, tụ điện có khả năng ngăn chặn cả nhiễu trong và ngoài hệ thống.

Khi hoạt động, tụ điện cắt bất kỳ loại tín hiệu AC nào xuống đất để nhiễu AC trong tín hiệu DC được loại bỏ, dẫn đến tín hiệu DC sạch và tinh khiết hơn. Ví dụ, chúng ta hãy xem xét các tụ điện Emitter và Cathode Bypass.

 

Tụ điện bypass Emitter

Hãy xem xét bộ khuếch đại Common Emitter (CE) có điện trở emitter, nếu một tụ bypass được nối song song với điện trở emitter thì độ lợi điện áp của bộ khuếch đại CE tăng lên và nếu loại bỏ tụ điện thì sự suy giảm cực độ được tạo ra trong mạch khuếch đại và độ lợi điện áp sẽ là giảm.

 

Tụ điện bypass cathode

 

Khi một tụ điện được kết nối trên điện trở catốt và nếu tụ điện đủ lớn, nó sẽ hoạt động như một ngắn mạch đối với tần số âm thanh và loại bỏ phản hồi âm. Nó cũng hoạt động như một mạch mở cho một DC và duy trì DC grid bias.

Tụ bypass lọc nhiễu cho nguồn DC, giảm vòng loop cho dòng điện

 

Cách chọn giá trị cho Tụ bypass

Các điện kháng của tụ thêm vào mạch nên ít hơn nhiều của điện trở đường nguồn, từ 10 lần. Chúng ta đều biết rằng dòng điện luôn có điện trở thấp, nếu bạn muốn chuyển tín hiệu AC xuống đất thì tụ điện phải có điện trở thấp hơn. Giá trị điện dung của tụ bypass được sử dụng có thể được tính bằng công thức

C = 1/2 πfX C

Trở kháng của tụ điện theo tần số giảm khi tần số tăng cho đến khi gần đạt tần số cộng hưởng, sau đó trở kháng tăng dần.

Các ứng dụng của tụ điện bypass

Các tụ điện bypass hầu như được sử dụng trong tất cả các mạch tương tự và kỹ thuật số để loại bỏ tín hiệu không mong muốn khỏi điện áp cung cấp, một số ứng dụng đáng chú ý khi chúng được sử dụng

• Chúng được sử dụng giữa bộ khuếch đại và loa để có âm thanh tốt hơn.
• Được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC / DC
• Được sử dụng trong ghép và tách tín hiệu (Coupling and Decoupling)
• Được sử dụng trong các bộ lọc High Pass (HP) và Low Pass (LP)

Sự khác biệt giữa Tụ bù và Tụ decoupling

Khi bạn nhìn vào mục đích chúng được sử dụng, không có nhiều sự khác biệt giữa hai loại tụ điện. Đáng ngạc nhiên, hầu hết các tụ decoupling còn được gọi là tụ điện Bypass. Điều này là do đôi khi một đầu của chúng được nối xuống đất.

Một số khác biệt đáng chú ý nhất giữa tụ bypass và tụ decoupling là, tụ điện bypass được thiết kế để loại bỏ các tín hiệu nhiễu trong đó các tụ điện decoupling được thiết kế để làm mịn tín hiệu bằng cách ổn định tín hiệu bị méo. Để giảm thiểu nhiễu, chúng ta có thể chỉ sử dụng một tụ điện đơn nhưng để loại bỏ nhiễu một cách hiệu quả hơn chúng ta sẽ cần hai loại tụ điện khác nhau.

Tụ Coupling

Mắc nối tiếp với đường tín hiệu để chặn các thành phần DC và chỉ cho phép thành phần AC đi qua.

Tham khảo: https://www.protoexpress.com/blog/decoupling-capacitor-use/