Condensateurs de découplage et dérivation
On dit souvent que les condensateurs de dérivation et de découplage sont la même chose, en particulier dans les applications d’alimentation électrique. Les condensateurs de dérivation sont utilisés pour fournir un chemin séparé (chemin de faible résistance) pour les signaux C.A (Courant alternatif). Dans les applications d’alimentation électrique C.C (Courant Continu), les condensateurs de dérivation sont utilisés pour fournir un chemin de faible résistance à la masse pour les signaux C.A (bruit sur l’alimentation). Le bruit C.A sera court-circuité à la masse filtrant ainsi le bruit. On entend souvent que les condensateurs bloquent le courant continu, mais pas le courant alternatif. C’est un peu vrai, mais comme les condensateurs ne sont pas des composants idéaux, leur efficacité à laisser passer le courant alternatif varie selon la fréquence, le type de condensateur, etc. Les condensateurs de découplage sont utilisés pour créer une réserve d’énergie locale pour les composantes situées à proximité du condensateur. La raison pour laquelle on dit souvent qu’ils sont la même chose est parce qu’un condensateur de découplage agit comme un condensateur de dérivation. Le condensateur fournira une réserve d’énergie locale et créera également un chemin séparé vers la masse pour les signaux C.A. Pour bien comprendre les condensateurs de dérivation et de découplage, nous examinerons le modèle réel d’un condensateur. Les condensateurs ne sont pas idéaux et cela réduira leur efficacité à filtrer le bruit (surtout en haute fréquence). Il est tout de même recommandé d’utiliser des condensateurs de dérivation lorsque nécessaire, car ils réduisent l’amplitude du bruit. Ci-dessous, nous avons le modèle électrique d’un condensateur :
Ce modèle est important, car l’inductance et la résistance série équivalente ont un impact important sur le comportement du condensateur. Le condensateur est en fait un circuit RLC. En outre, la capacité, la résistance série équivalente et l’inductance série équivalente varient avec la fréquence, la température et la tension ce qui affectera la réponse en fréquence du circuit RLC. La plupart des fabricants de condensateurs fournissent sur leur site Web ou dans la fiche technique du condensateur l’impédance en fonction de la fréquence. Ci-dessous, nous avons un exemple pour 4 condensateurs céramiques différents pour usage général. Nous pouvons voir que les condensateurs de capacité plus petits seront meilleurs pour filtrer le bruit à haute fréquence que les condensateurs de capacité plus élevés.
L’image ci-dessous montre l’impact du circuit RLC sur le condensateur. L’impédance avant la fréquence de résonance est principalement déterminée par la capacité. L’impédance après la fréquence de résonance est principalement déterminée par l’inductance série équivalente. L’impact de l’inductance apparaît dans les hautes fréquences. L’inductance série équivalente a un grand impact sur l’impédance dans les hautes fréquences.
Souvent, le fabricant de circuits intégrés recommandera des condensateurs de dérivation et de découplage dans sa fiche technique. S’il n’y a pas d’informations dans la fiche technique, nous vous recommandons d’utiliser un ou deux condensateurs en céramique 0.1uF et un condensateur céramique de 10uF ou un condensateur 10uF tantale électrolytique par broche (appelés « Pin » en anglais) d’alimentation. Le 10uF n’est pas nécessaire, mais aidera à filtrer le bruit à basse fréquence et fournira un meilleur découplage qu’un condensateur de 0,1uF.
Exemple :
L’emplacement du condensateur sur la carte de circuit imprimé (souvent appelés PCB en anglais pour « Printed circuit board ») est très important. Le condensateur de dérivation/découplage doit être placé le plus près possible de la broche du circuit intégré. La longueur de la trace à la masse (GND) doit être petite. Nous vous recommandons d’utiliser un via connectée à la masse avec une trace très courte. Un via dans le pad du condensateur connecté à la masse peut également être utilisé, mais vous ne pouvez pas le faire avec tous les types de via. Vous devriez vérifier avec les fabricants de votre PCB s’il est possible de placer un via dans le pad. S’il est impossible de connecter un via à la masse, vous devez optimiser la conception de votre carte pour avoir des traces courtes et le plus large possible pour connecter le condensateur à la masse. À noter qu’un via dans le pad du condensateur n’est pas toujours recommandé puisque cela peut causer des problèmes d’assemblage lors de l’étape de soudure au four. Certains condensateurs pourraient faire la pierre tombale (un pad soudé et l’autre dans les airs) à cause de la différence thermique entre les deux pads. Il est recommandé d’avoir un via dans les deux pads du condensateur dans ce cas. Un via à la masse et l’autre à l’alimentation.
La raison pour laquelle les traces doivent être aussi courtes que possible est de réduire l’inductance série des traces. En haute fréquence, la très petite inductance des traces réduira l’efficacité du condensateur pour filtrer le bruit de haute fréquence. Pour les basses fréquences, il a généralement un impact très faible. Ci-dessous, nous avons un exemple de l’impact de placer le condensateur à 300 mils (millièmes de pouce) de la broche d’alimentation du circuit intégré par rapport à directement connecté le condensateur à la broche d’alimentation du circuit intégré. Les résultats ci-dessous ont été obtenus au moyen d’une simulation rapide et peuvent ne pas être tout à fait exacts. Beaucoup de détails n’ont pas été inclus dans la simulation (matériau du circuit imprimé, plan de masse, etc.), mais c’est uniquement pour donner une idée rapide de l’impact de l’emplacement du condensateur.
Nous pouvons voir que le condensateur placé directement sur la broche d’alimentation du circuit intégré sera meilleur pour éliminer le contenu haute fréquence qu’un condensateur placé à 300 mils de la broche d’alimentation du circuit intégré. Nous avons une différence d’environ 8dB dans la gamme de hautes fréquences ce qui n’est pas négligeable.