خازن بای پس Bypass یا Decoupling در برد مدار چاپی PCB

قبل از شروع به این نکته توجه کنید که خازن هایی که دوسر کریستال اسیلاتور قرار میگیرند، خازن Bypass نبوده و در مبحث «خازن دوسر کریستال» بررسی می شود.

خازن  Bypass یا Decoupling چیست؟

خازن Decoupling خازنی است که برای جدا کردن قسمت های مختلف مدارات الکترونیکی از هم استفاده می شود. با استفاده از خازن Decoupling، تاثیر نوسانات ناشی از سایر عناصر مدار، به قسمت های دیگر کمتر می شود. به خازن Decoupling، خازن Bypass هم گفته می شود. البته یک تفاوت دارند که در ادامه بیان می شود. برای شناخت بهتر خازن Decoupling ابتدا تصویر 2 را ببینم.

تصویر 1 – خازن بای پس در PCB

تصویر 2 – خازن Bypass و Decoupling

خازن در فرکانس بالا اتصال کوتاه و در فرکانس پایین مدار باز است. در نتیجه خازن Bypass که خازنی است که یک طرف آن به GND متصل می شود، سیگنال های AC موجود در پایۀ دیگر خود را به زمین منتقل می کند. بطوری که هرگونه نوسانات AC که بر روی سیگنال DC ایجاد می شود را به زمین منتقل کرده و باعث می شود سیگنال DC اصطلاحا تمیز شود. می توان طرف دیگر خازن را به VCC متصل کرد تا نوسانات خط تغذیه DC را کاهش دهد. در تصویر زیر می توانیم تاثیر خازن Decoupling در کاهش نوسانات تغذیه DC را ببینیم.

تصویر 3 – تاثیر خازن Decoupling بر تغذیه مدار

تفاوت خازن  Bypass با Decoupling چیست؟

به خازن Bypass، خازن Decoupling نیز گفته می شود. اما یک تفاوت جزئی دارند. خازن Bypass با هدف جلوگیری از ورود نویز به یک قسمت  – اصطلاحا shunt the noise signals- استفاده می شود(تصویر سمت چپ در تصویر  شماره 2). اما خازن Decoupling با هدف تثبیت و صاف کردن سیگنال – اصطلاحا smoothen the signal – (تصویر سمت راست در تصویر  شماره 2) استفاده می شود.

برای جلوگیری از ورود نویز به یک قسمت (خازن Bypass) می توان تنها از یک خازن استفاده کرد که صرفا نویزهای یک محدوده فرکانسی را حذف کند. اما برای صاف کردن سیگنال (خازن Decoupling) باتوجه به کاربرد معمولا نیاز به استفاده از حداقل دو خازن در دو رنج متفاوت است. معمولا از این دو لغت بجای هم استفاده می شود. در این متن نیز احتمال دارد از این دو عبارت بجای هم استفاده شود.

اهمیت استفاده از خازن Bypass یا Decoupling

قبل از اینکه PCB های فرکانس بالا رواج پیدا کنند و فرکانس در PCB ها حتی کمتر از 20 مگاهرتز باشد، قرار دادن خازن های Bypass در PCB ها کار ساده ای است. و حتی جنس خازن مطرح نیست که حتما خازن سرامیکی باشد. در PCB های فرکانس پایین، قرار دادن خازن Bypass می تواند قائده ای نداشته باشد. با افزایش سرعت کاری تراشه ها و رواج پیدا کردن PCB های فرکانس بالا، نیاز به یک شبکۀ توزیع تعذیۀ پایدار در PCB احساس شد. این شبکۀ تغذیه باید در سطح PCB هرچه بیشتر یکنواخت و بدون نویز باشد. برای ساخت چنین شبکۀ تغذیه با حاشیه نویز کم، باید به خازن های Bypass توجه ویژه ای داشت. اگر در رابطه با PCB های فرکانس بالا اطلاعات زیادی ندارید، از مبحث «بوردهای فرکانس بالا را خوب بشناسیم» این زمینه را بیشتر بشناسید.

موارد استفاده از خازن Bypass

باتوجه به فرکانس و جریان مورد استفادۀ مدار استفاده از خازن Bypass در 4 کاربرد استفاده می شود. که در جدول زیر کاربردهای عمده آورده شده است.

جدول 1 – موارد استفاده از خازن بای پس

خازن های Bypass یا Decoupling، بین خط زمین و پاور IC ها قرار میگیرند. این خازن ها با دو هدف کلی استفاده می شوند. که به بررسی آنها می پردازیم.

خازن Bypass برای پایه های تغذیه

دو دلیل ابتدایی برای قرار دادن خازن Bypass در نزدیکی پایه های تغذیه آیسی وجود دارد.

دلیل اول: خازن با ظرفیت پایین برای حذف نویز های فرکانس بالا

امکان دارد خطوط گراند و تغذیه حاوی نویزهای فرکانس بالایی باشد که از منابعی مثل Crosstalk یک خط فرکانس بالای دیگر روی آنها یا اینکه نویز خود منبع تغذیه سوئیچینگ باشد. برای حذف این نویزها از خازن های با ظرفیت پایین استفاده می شود. محل قرار گیری، ظرفیت و جزئیات بیشتر در رابطه با این سری از خازن های Bypass را در ادامه می بینیم.

دلیل دوم: خازن با ظرفیت بالا برای جبران افت ولتاژ

در زمانی که یک خازن Bypass با ظرفیت بالا و با هدف یک قطعۀ ذخیره کنندۀ انرژی در کنار پین تغذیۀ یک IC قرار بگیرد، از خازن Bypass به عنوان جبران افت ولتاژ استفاده شده است. در این حالت خازن Bypass در زمانی که IC به جریان زیادی نیاز دارد، به آن اعمال می کند و از خاموش شدن IC جلوگیری می کند.

باتوجه به این که منابع تغذیه تنها می توانند عملکرد مطلوب را در محلی نزدیک خروجی خود داشته باشند و نه در محلی دور از خروجی خود و از طرفی در برخی کاربردها امکان دارد خروجی منبع تغذیه در لحظاتی کمتر از حد مورد نیاز IC مورد نظر باشد، در نتیجه برای رفع این مشکل باید از که خازن های Bypass در نزدیکی پایه های تغذیه آیسی هایی که جریان کشی بیشتر یا در حد آستانه منبع تغذیه حتی بصورت لحظه ای را دارند یا آیسی های حساس به افت ولتاژ منبع تغذیه، استفاده شود.

اما باید که خازن Bypass برای تمام آیسی های مدار قرار بگیرد. چرا که اگر افت ولتاژی توسط یکی از آیسی ها در مدار ایجاد شود بر روی کل مدار تاثیر خواهد گذاشت.

اگر که در مدار یک تراشه باشد که در یک لحظه افت ولتاژ ایجاد می کند، این افت ولتاژ می تواند بر روی کل سیستم تاثر بگذارد و بطور مثال میکروکنترلر روی بورد را نیز در آن لحظه خاموش کند.

تفاوت خازن Bypass با خازن دوسر  Crystal

همانطور که ذکر شد، خازن Bypass به خازن هایی گفته می شود که متصل به پین های تغذیه یک المان قرار دارند. اما خازن های دوسر Crystal هدفی کاملاً متفاوت دارند.

تصویر 4 – خازن دو سر Crystal

خازن های دوسر کریستال با اهدافی مثل کاهش هارمونیک های فرکانس بالا و کاهش امپدانس خروجی نوسان ساز است. برای اطلاعات بیشتر در این مورد مبحث «خازن دو سر Crystal را کامل بشناسیم» را مشاهده بفرمایید.

ظرفیت خازن Bypass

بسیاری از ما وقتی صحبت از ظرفیت یک خازن Bypass  می شود، اولین چیزی که به ذهنمان می رسد، خازن 100nf است. تابحال این سوال برای شما پیش آمده که این ظرفیت چطور محاسبه شده؟ مبنای تعیین ظرفیت خازن Bypass برای حذف نویز چیست؟ برای استفاده از خازن ها با هدف کاهش نویز، نیاز داریم که ویژگی های یک خازن واقعی را بدانیم. در نتیجه قبل از ادامۀ مبحث ظرفیت خازن Bypass، با خازن های واقعی بیشتر آشنا شویم.

تفاوت خازن واقعی با خازن ایده آل

برای یک خازن (مدل واقعی خازن)، علاوه بر ظرفیت خازنی (C)، یک سلف سری (ESL)، یک مقاومت سری (ESR) و یک مقاومت موازی (ESR) نیز وجود دارد. تصویر زیر رابطه بین امپدانس خازن با فرکانس را نشان می دهد.

تصویر 5 – مشخصات خازن ایده آل

در خازن ایده آل انتظار داریم که با افزایش فرکانس، امپدانس آن کاهش پیدا کند. در خازن واقعی هم با افزایش فرکانس تا یک حدی به همین شکل است.یعنی با افزایش فرکانس، امپدانس آن کاهش پیدا می کند. اما از یک فرکانس به بعد، با افزایش فرکانس، امپدانس آن افزایش پیدا می کند و رابطه فرکانس به امپدانس آن مثل یک سلف می شود. در اینجا دیگر خازن ما خاصیت سلفی دارد. در طراحی نیاز داریم یک خازنی را در مدار داشته باشیم که در فرکانس کاری ما خاصیت سلفی نداشته باشد. به فرکانسی که در فرکانس های کمتر از آن خازن خاصیت خازنی و در فرکانس های بیشتر از آن خازن خاصیت سلفی دارد، فرکانس رزونانس خازن (Resonance Frequency) گفته می شود. خازن های با ظرفیت کمتر، فرکانس رزونانس بیشتری دارند. برای دیدن این موضوع، نموداری برای 3 خازن در تصویر زیر آورده شده است.

تصویر 6 – پاسخ فرکانس خازن ها با ظرفیت های مختلف

در تصویر فوق که برای 3 خازن با ظرفیت های 0.1uf, 0.01uf, 1000pf آورده شده است، می بینیم که خازن 1000pf که کمترین ظرفیت را دارد، دارای بیشترین فرکانس تشدید است.

باتوجه به گفته های فوق به این نتیجه می رسیم که باتوجه به فرکانس مدار، خازن های Bypass  با ظرفیت های زیر مناسب است.

جدول 2 – ظرفیت مناسب خازن Bypass با توجه به فرکانس

قبل از استفاده از خازن Bypass برای هر تراشه ای، مراجعه به دیتاشیت آن و دیدن مقادیر پیشنهادی دیتاشیت برای استفاده از خازن Bypass، خالی از لطف نیست. پیشنهاد می شود حتما این کار را انجام دهید.

چرا خازن Bypass را در نزدیکی پین های آیسی قرار دهیم؟

مسیرهای بلند و نازک در PCB برای خطوط خازن های Bypass، باعث افزایش ESR و ESL می شوند. در نتیجه خازن های Bypass  باید در نزدیکترین فاصله نسبت به پایه هایی که نیاز است به آنها متصل شود قرار بگیرد. همچنین فوت پرینت زیر برای خازن Bypass  توصیه می شود.

تصویر 7 – فوت پرینت خازن Bypass

موردی که در تصویر فوق با رنگ قرمز مشخص شده، برای مونتاژ با استفاده از برخی دستگاه ها مناسب نیست. جزئیات بیشتر در این رابطه در مبحث «طراحی PCB مناسب لحیم کاری دستی و دستگاه» بررسی شده است.

همچنین در زمان استفاده از خازن های با پکیج THD به عنوان خازن Bypass، پایه های خازن را حتی الامکان کوتاه کنید.

جنس خازن Bypass

از طرفی همیشه شنیدیم که برای خازن Bypass از خازن سرامیکی استفاده کنیم. دلیل این موضوع در فرکانس تشدید بیشتر خازن های سرامیکی نسبت به دیگر خازن ها است. آنچه باعث می شود که خازن واقعی مثل خازن ایده آل عمل نکند، مقاومت سری (ESR) و سلف سری (ESL) با آن است. این دو پارامتر در خازن های چندلایۀ سرامیکی نسبت به دیگر خازن ها کمتر است. در جدول زیر این مورد را در خازن های مختلف بررسی کرده ایم.

جدول 3 – مشخصات انواع خازن

همچنین خازن های با پکیج کوچکتر، ESR و ESL کمتر و در نتیجه فرکانس تشدید بیشتری دارند. این مورد را در جدول زیر می بینیم.

جدول 4 – مشخصۀ ESL خازن با توجه به پکیج آن

با افزایش سایز خازن، پارامتر ESL آن کاهش پیدا میکند. اما در خازن 0612 باتوجه جایگاه قرارگیری پایه های آن، پارامتر ESL بسیار کمتر از دیگر خازن ها شده است. تصویر این نوع خازن را در زیر می بینیم.

تصویر 8 – خازن پکیج 0612

درنتیجه اگر که هرچقدر معذوریت های PCB اجازه می دهد از خازن کوچکتر و خازن 0612 استفاده کنیم، از نظر فرکانس تشدید مناسب تر است.

خازن Bypass در کاربردهای حساس نظامی، هوافضا و خودرویی

بطور کلی در چنین کاربردهایی شرکت هایی وجود دارد که قطعات اختصاصی چنین کاربردهایی را طراحی می کنند. از جمله چنین شرکت هایی می توان به Vishay یا avx اشاره کرد. بطور مثال خازن هایی به عنوان Wet Tantalum وجود دارد که با ترکیبی از شیشه و تانتالیوم، دمای -55 تا 200 درجه سانتی گراد را تحمل می کنند. این مورد با این هدف ذکر شد که درنظر داشته باشیم در طراحی سخت افزار برای چنین کاربردهایی، تمامی المان ها و همچنین استراتژی طراحی متفاوت است. برخی از این موارد در آموزش «طراحی PCB های قابل اعتماد» و برخی در آموزش «طراحی  PCB های فرکانس بالا» مورد بررسی قرار می گیرند.

تصویر 9 – خازن Wet Tantalum

تعداد خازن Bypass در PCB

برای تعداد خازنهای Bypass  موردنیاز برای یک PCB نمی توان یک نسخه کلی داد. اما در چند قائده می توان به صورت کلی به تعداد مورد نیاز برخی از آنها دست پیدا کرد.

1. خازن های با ظرفیت بالا برای هریک از آیسی های مدار یک عدد قرار بگیرد.
2. خازن های فرکانس بالا با ظرفیت پایین برای هریک از پایه های تغذیه آیسی یک عدد قرار بگیرد.
3. ظرفیت این خازن ها باتوجه جریان کشی و فرکانس مدار متفاوت است.
4. در مورد خازن ها در فرکانس های بالا مشخصاتشان متفاوت است. خازن های با ظرفیت پایینتر در فرکانس های بالا مشخصات فرکانسی بهتری دارند. باتوجه به این موضوع استفاده از خازن های Bypass معمولا با استفاده از دو رنج متفاوت از خازن ها امکان پذیر است. بطور مثال به تعداد پایه IC یک خازن 100NF سرامیکی و برای هر آیسی یا  یک بلاک، یا خازن در رنج چند ده میکروفاراد الکترولیتی یا تانتالیوم استفاده می شود. در این موارد از دیتاشیت آیسی ها نیز کمک بگیرید.
5. اگر طراحی به نحوی بود که نیاز شد یک خازن 10UF و یک خازن 100NF در نزدیک هم قرار بگیرند، خازن با ظرفیت کمتر در محل نزدیکتر نسبت به آیسی قرار بگیرد و سپس خازن با ظرفیت بالاتر قرار بگیرد.

از بحث خازن Bypass یا Decoupling در PCB نتیجه می گیریم:

1. با استفاده از خازن Decoupling، تاثیر نوسانات ناشی از سایر عناصر مدار، به قسمت های دیگر کمتر می شود.
2. خازن Bypass با هدف جلوگیری از ورود نویز به یک قسمت – اصطلاحا shunt the noise signals- استفاده می شود. اما خازن Decoupling با هدف تثبیت و صاف کردن سیگنال – اصطلاحا smoothen the signal – استفاده می شود.
3. مبحث استفاده اصولی از خازن Bypass یا Decoupling، در PCB های فرکانس بالا اهمیت پیدا می کند.
4. به عنوان موارد استفاده از خازن های Bypass یا Decoupling می توان مواردی مثل، تقویت کننده های دقیق، سنسور های نور، تراشه های RTCیا EEPROM، تقویت کننده های سرعت بالا، تقویت کننده های RF، مبدل های ADC و DAC سرعت بالا، مدارات Sample and
5. Hold، مبدل های DC to DC، رگولاتورهای سوئیچینگ، تقویت کننده های RF، مبدل های ADC و DAC دقیق را نام برد.
6. بطور کلی در 2 کاربرد کلی خازن با ظرفیت پایین برای حذف نویز های فرکانس بالا و خازن با ظرفیت بالا برای جبران افت ولتاژ، از خازن های Bypass استفاده می شود.
7. خازن Bypass یا Decoupling از خازن های دو سر Crystal متفاوت است.
8. با توجه به اينكه در فركانس هاي بالا خازن ها خاصيت سلفي و سلفها خاصيت خازني پيدا مي كنند در انتخاب خازن براي حذف فركانس هاي بالا دقت كنيد. خازن هاي ميكا ، سراميك ، و تفلون با توجه به اينكه كيفيت بالا و فركانس تشديد زيادي دارند براي اين منظور مناسب اند.
9. در زمان مونتاژ کردن خازن های THD، پایه های خازن را حتی المکان کوتاه کنید.
10. در مدارات مجتمعی که تعدادی پایه تغذیه دارند، برای تمامی پایه های تغذیه آنها یک خازن Bypass قرار دهید.
11. خازن های Bypass باید در نزدیک ترین فاصله نسبت به پایه های قطعه باشند.
12. در طراحی PCB برای خازن Bypass، پایه ای از خازن که به گراند متصل می شود باید با کوتاه ترین مسیر به گراند متصل شود.
13. به محل قرار گرفتن خازن در مدار دقت كنيد . مثلا قرار گرفتن بار خازنی در امیتر ترانزیستور باعث می شود که مدار استعداد نوسان پیدا کند.
14. بطور کلی در کاربردهایی که مصارف بسیار حساس مثل نظامی یا هوافضا ندارند، خازن های رنج نانو فاراد و پیکو فاراد را از نوع سرامیکی و خازن های رنج چند ده میکرو فاراد را بهتر هست از نوع تانتالیوم و خازن های رنج بیشتر را از نوع الکترولیتی انتخاب بفرمایید. استفاده از خازن های مرغوب اهمیت ویژه ای دارد. در مدارات نظامی و هواپیمایی، کاربردهای حساس تعیین نوع خازن میبایست که بررسی شود و در از جمله شرکت های تامین کنندۀ این موارد می توان به سایت های Vishay یا avx اشاره کرد.

آموزش های مرتبط با این نوشته:

فیلم آموزش طراحی PCB با آلتیوم مقدماتی

فیلم آموزش لحیم کاری و مونتاژ