Avkoppling

Avkoppling del 2 - Spänningsplan

Som nämnts tidigare så distribuerar man normalt matningsspänningar på ett modernt kretskort via spännings- och jordplan. I denna del i vår artikelserie om avkoppling studerar vi impedansen genom mätning med nätverksanalysator på ett spänningsplan i ett verkligt kretskort bestyckat med olika avkoppling.

Man inser lätt att det bildas en kapacitans mellan spännings- och jordplanen i ett mönsterkort och denna kapacitans visar sig vara helt dominerande när det gäller att hålla nere impedansen hos matningen vid frekvenser i storleksordningen 1 GHz och däröver. Kapacitansen mellan planen är proportionell mot planens gemensamma area samt omvänt proportionell mot avståndet mellan dem. Av denna anledning förbättras högfrekvensegenskaperna hos avkopplingen om man bygger upp sitt mönsterkort så att jord- och spänningsplan ligger så nära varandra som möjligt.

Figur 6 visar uppmätt och simulerad impedans hos ett litet spänningsplan utan avkoppling på ett 4-lagerskort. Den lågfrekventa delen av kurvan är identisk med kurvan för en kondensator på 550 pF, men sedan uppstår ett par resonanser. Dessa kan modelleras i simuleringen genom att man delar upp planets kapacitans på två delar med en liten induktans emellan (och ett par små resistanser i serie med kapacitanserna). Över 800 MHz är impedanskurvan komplicerad och vi har inte brytt oss om att försöka modellera den.

Det är inte så underligt att just detta plan går bra att modellera upp till ganska höga frekvenser som en kondensator parallellt med en LC-krets om man tittar på planets lite udda geometri, vilken visas i Figur 7. Anledningen till planets underliga form är att flera andra spänningsplan måste samsas på samma kopparlager i detta kort och då kan man tvingas till den här typen av kompromisser. Pilarna anger var nätverksanalysatorns portar anslöts via SMA-kontakter inlödda på obestyckade lödytor för avkopplingskondensatorer på kortets undersida. Planet består alltså av två separata ytor förbundna med en smal sektion. Det är den smala delen som modelleras med en induktans och de två ytorna som modelleras med varsin kondensator. Mätningen som gjordes var en S21-mätning där resultatet räknades om till shuntande impedans. 20 dB dämpare användes vid ingångskontakten på kortet för att förbättra noggrannheten i mätningen, något som är nödvändigt med de instrument som användes.

Av kortuppbyggnaden framgår att huvuddelen av kapacitansen inte finns mellan spänningsplan och det egentliga jordplanet inuti kortet, utan mellan spänningsplanet och det jordplan som fyller ut utrymmet mellan ledare och komponenter på bottenlagret. Om man t.ex. av kostnadsskäl bara har tillgång till fyra lager och mittersta isolationslagret måste vara relativt tjockt så kan det vara en utmärkt idé att fylla ut med jordplan på ytterlagret utanför spänningsplanet för att öka plankapacitansen till mer verkningsfulla nivåer. För att få någon nytta vid höga frekvenser av denna kapacitans måste det yttre jordplanet vara väl förbundet med hjälp av många vior till kortets andra jordplan och/eller direkt till de komponentben som ska avkopplas.

Vi börjar nu ansluta avkopplingskondensatorer för att se hur det påverkar impedansen. Vid alla mätningar placerar vi kondensatorer enbart på den närmsta delen av planet (ytan märkt C1 i Figur 7), förutom de stora kondensatorerna (47 µF och uppåt) som placeras till vänster om den smala sektionen.

Figur 8 visar vad som händer om man kopplar in en 100-nF 0603-kondensator till planet. Det mesta blir bättre, dvs. impedansen sjunker, men vid ca 200 MHz, strax under planets serieresonans, uppstår en parallellresonans mellan avkopplingskondensatorn och planets kapacitans. Denna resonans orsakar en impedanstopp på 6 Ω, vilket är betydligt högre än impedansen för planet själv som var ca 1,2 Ω vid denna frekvens. Över 800 MHz är impedansen i princip identisk med planets impedans utan kondensator.

Oftast har man ju inte bara en enda avkopplingskondensator. Låt oss se vad som händer om man kopplar in sju stycken av samma sort. Effekten illustreras i Figur 9.

Förutom att impedansen som väntat sjunker vid låga frekvenser (där kondensatorernas kapacitans dominerar) och medelhöga frekvenser (där kondensatorernas induktans dominerar) så ser vi ytterligare ett intressant och positivt fenomen, nämligen att resonanstoppen som dök upp vid 200 MHz när man hade bara en avkopplingskondensator blir mindre utpräglad när man lägger till fler kondensatorer. Dessutom flyttas en annan resonanstopp upp till lite högre frekvenser. Nu har vi lyckats sänka impedansen för i princip alla frekvenser upp till 600 MHz, medan impedansen är i stort sett oförändrad över 1 GHz. Om kortet har kretsar som drar mycket ström med en frekvens på ca 1 GHz så är dock inte just denna design så lyckad. Ännu fler kondensatorer med låg ESL skulle förmodligen dämpa toppen som nu ligger vid 1 GHz, eftersom den uppenbarligen redan sjunkit en del (och flyttat sig upp i frekvens) i samband med att kondensatorer lagts till.

Som nämndes tidigare i artikelserien så finns det en envis myt som säger att kondensatorer med lägre kapacitansvärden är bättre vid högre frekvenser. Låt oss testa om det stämmer på vårt spänningsplan. I Figur 10 jämförs uppmätt impedans när planet avkopplas med 7 st 100-nF-kondensatorer respektive när det avkopplas med 7 st 1-µF-kondensatorer. Som väntat är impedansen betydligt lägre vid låga frekvenser (om än inte riktigt 10 gånger lägre eftersom den verkliga kapacitansen inte riktigt är 1 µF hos de större kondensatorerna). Vid 40-1000 MHz är 1 µF aningen bättre än 100 nF och endast i ett litet område runt 100-nF-kondensatorernas resonansfrekvens är dessa bättre. Detta tyder på att det inte ligger så mycket i myten att lägre kapacitans på något magiskt sätt skulle vara bättre vid höga frekvenser när parasiterna som beror på kapseln och layouten hålls lika.

Men kanske är ändå riktigt låga kondensatorvärden som 1 nF bättre än 100 nF vid höga frekvenser? Ett nytt experiment borde kunna ge svar. Figur 11 visar en jämförelse mellan impedansen när 7 st 100 nF har monterats samt när fyra av dessa har ersatts med 1 nF i samma kapsel. Vid låga frekvenser är naturligtvis den högre kapacitansen bättre. Vid 100 MHz uppstår en oönskad parallellresonanstopp mellan 1 nF och 100 nF och i ett område runt 200 MHz där 1-nF-kondensatorerna är serieresonanta (jämför Figur 3) råkar kombinationen med olika värden få något lägre impedans än när bara 100 nF används. Över 300 MHz spelar bara serieinduktansen hos kondensatorerna roll och där blir alternativen så gott som identiska.

Uppenbarligen fanns det inte heller i detta fall någon fördel med att byta vissa kondensatorer till lägre värden. Förutom nackdelen med högre impedans vid låga frekvenser uppstår det alltid en oönskad parallellresonans när man blandar två kondensatortyper med serieresonansfrekvenser som ligger långt från varandra. Om möjligt är det alltså bättre att hålla sig till ett värde. Mer om detta i teoriavsnittet.

I stort sett alltid har man även en eller flera större kondensatorer på kortet för att ta hand om låga frekvenser och stabilisera spänningsregulatorn. Figur 12 visar vad som händer om man kopplar in olika typer av större kondensatorer tillsammans med 7 st 100-nF-kondensatorer. Över 7 MHz är inverkan minimal, men vid lägre frekvenser sjunker impedansen som väntat, förutom att en keram på 47 µF med sin låga ESR ger en liten resonanstopp (parallellresonans mellan 47 µF och 7 st 100 nF). Elektrolyten med sin relativt höga ESR ger ingen resonanstopp, men dess ESR begränsar också hur långt ned impedansen kan sjunka som lägst i det område där elektrolytens impedans (eller snarare admittans) dominerar.

© Per Magnusson