7400コンテストに参加したとき、提示されたロジック回路の多くには、信頼性の高い操作のための最も単純なセキュリティ要素が欠けていることがわかりました。 最も一般的な設計上の欠陥の1つは、連動タンクの欠如でした。 その後、 マーフィーの法則に関する記事を読んだ後、絶縁コンデンサとブロッキングコンデンサについて少し書くことにしました。



エレクトロニクスの分野で古くから呼ばれることができる人として、私は自分の経験から孤立していないという問題に精通しました。 大規模なエレクトロニクス企業でインターンとして最初の高速回路を組み立てました。 デジタル周波数計であるその回路は、74Fxxファミリのロジック上で組み立てられ、11 MHzの周波数で動作しました（当時はかなり考慮されていました）。 それは23×16 cmのボード（ダブルユーロカード ）で、 ワイヤーラップで接続された約40個のマイクロチップが含まれていました。 電源をオンにするときが来たとき、回路が正常に機能しないことがわかりましたが、完全にナンセンスになりました。



アセンブリを数回確認した後、マネージャーに問題について話しました。彼はボードを見て、次のように言いました。 それらを各チップの近くの電源に入れてから、話をします。」と言われたとおり、完全に混乱しました。 -すべてすぐに機能しました。 一見影響のない容量が回路を機能させるのはなぜですか？ 私のスーパーバイザーは、スイッチング中の突入電流、導体のインダクタンス、および絶縁について教えてくれました。 私は彼が言っていることを本当に理解するまでに数年が経過したことを認めますが、教訓を学びました：常にコンデンサをデジタル超小型回路の電源に入れてください。



「ブロッキングコンデンサ」および「アイソレーション」という用語はランダムな単語ではありませんが、この文脈では明確な意味を持ちます。

分離 -共通の電源から超小型回路の電源回路を（部分的に）分離することを目的としたアクション。

ブロッキングコンデンサ -超小型回路の電源をバイパスし、ローカル電源として機能するようにインストールされたコンデンサ。



なぜこれがとても重要なのでしょうか？ たとえば、ここを見てください：





図1.ブロッキングコンデンサの欠如。



デジタル信号のように見えますか？ ブロッキングコンデンサなしでこのようなナンセンスを得る。



クロック速度は重要ではないことに注意してください。 問題は、信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジです。 そのため、1 Hz、20 kHz、または50 MHzで動作するシステムにも同じ考慮事項が適用されます。 以下の例で使用される周波数は、オシロスコープで簡単に観測できるように選択されています。



高い頻度では、単位時間あたりの前線の数が多いため、障害は低い場合よりも速く発生することに注意してください。 ただし、これは低周波回路が確実に動作することを意味しません。 これは事実とはほど遠いです;マーフィーの法則によると、それらは同じくらい簡単に失敗します。 ああ、ところで、16 MHzで動作する小さなマイクロコントローラーについて考えたことはありますか？

サージ測定

何が起こるかを見るには、回路を流れる電流を測定する必要があります。 以下は、説明のためにコンパイルされた簡単な実験セットアップです。





図2.インバーターの接続。



図3.測定スキーム。



パルス発生器は、10 pFの容量を搭載した74HC04インバーターに接続されています。 インバーター出力TP1の信号は、上の波形に示されています。 電源は、マイクロ回路7および14の端子に接続されています。10Ωの電流測定抵抗が、接地導体のギャップに含まれています。



ポイントTP2の電圧は、チップで消費される電流に比例し、下の波形に表示されます。 必要に応じて、ブロッキングコンデンサを接続または切断できます。 オシロスコープのプローブには1:10分周器が装備されているため、波形の垂直スケールに10を掛ける必要があります。74HC04の未使用入力はすべて接地されます。 インストールは次のようになります。





図4.ブレッドボードに組み立てられた設置。



図5は、高周波数と低周波数で発生する問題を示しています。 左側の写真-右側のブロッキングコンデンサなし-あり。





図5.出力電圧（上チャネル）と消費電流（下チャネル）。

上は330 kHzのクロック周波数、下は3.3 MHzです。

左側-ブロッキングコンデンサなし、右側-あり。



図5からのいくつかの観察：

• 測定された電流は、GNDフットとブロッキングコンデンサを流れる電流のみです。 チップが消費する電流と正確には一致しません。 VccとGNDのレッグを流れる電流を同時に測定することは困難です（オシロスコープの設計によって課せられる制限。- transl。に注意してください ） 。 ただし、説明のためには、GNDピンを流れる電流を測定するだけで十分です。
• 論理「1」では、出力に高周波の「リング」が観察されます。 そのスパンは2 Vを超えており、サージは電源電圧を超えています。 ブロッキングコンデンサを追加すると、「リンギング」がほとんど意味のないレベルに減少します。 パンクはまだ残っていますが、はるかに速くフェードアウトします
• 信号のエッジは、消費電流のサージ（「針」）に対応します。 ブロッキングコンデンサを追加すると、これらの放射が減少し、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジで対称になります。 放射範囲は、ブロッキングコンデンサなしで-22から+45 mA、およびそれを使用して-32から+36 mAです。
• ブロッキングコンデンサが存在する場合の電流の対称的な形状は、エネルギーが蓄積されて引き戻されることを示しています。 これは非常に重要な機能です。
• 残留RFリンギングは、オシロスコープのプローブ（図示せず）の位置に大きく依存します。これは、回路にスプリアスLCエレメントと無線周波数アンテナが含まれていることを示しています。 ボード上の位置と接続ワイヤの相対位置は、振動の振幅と周波数に大きな影響を及ぼします。 これらの干渉を完全に排除することはできませんが、回路基板を適切に延長することで大幅に低減できます。

信号フロントを詳しく見てみましょう。





図6.出力電圧（上チャネル）と消費電流（下チャネル）の正面。

上はトレーリング（下降）フロント、下はトレーリング（昇順）フロントです。

左側-ブロッキングコンデンサなし、右側-あり。

消費電流の推定

74HC04チップは、CMOS技術を使用して作られています。 これは、静的消費電流がゼロに近いことを意味します。 電流は、「0」から「1」および「1」から「0」に切り替わるときにのみ消費されます。 スイッチング時には、すべての負荷容量と浮遊容量を再充電する必要があります。 実験設計では、負荷の容量は10 pFです。 ここで、約5 + 2 pFの端子容量と浮遊容量を追加する必要があります。 オシロスコープのプローブの静電容量は10 pFであり、これも考慮する必要があります。 したがって、インバーター出力での合計負荷容量は約27 pFです。



出力容量は、約4.3 nsで0〜5 Vに充電する必要があります。 簡単にするために、充電電流は一定であると仮定して、その値を推定します。

Q = I・t = C・U

I =（5・27・10 ^-12 ）/（4.3・10 ^-9 ）= 31.4 mA



これは、各スイッチングでインバーター出力を介して大電流が流れることを意味します（CMOS標準による- およそのトランス ） 。 エネルギーはどこから来ますか？ もちろん、電源から。 図6では、電流が瞬時に発生するのではなく、一定のレベルまで上昇し、その後再び低下することがはっきりとわかります。 この動作は、誘導性要素の存在を明確に示しています。



これは、出力電圧がゼロに低下した瞬間に電流が最大に達する図6の右側に最もよく示されています。 その後、電流が低下し、出力電圧が低下します。 定格電流は、最も単純な推定のみが行われていることを考えると、測定された電流でかなり良好です。

それでは、なぜブロッキングコンデンサが必要なのでしょうか？

もう一度、図6の下半分をよく見てください。左側では、出力電圧はしばらくの間5 Vに達しませんでしたが、右側ではほぼすぐに達しています。 ブロッキングコンデンサがないと、チップには急な前線を形成するのに十分な電力がなく、電圧は4ボルトで止まります。 ブロッキングコンデンサは、しばらくの間必要な瞬時電力を供給します。



ブロッキングコンデンサは負荷容量よりも約4000倍大きいため、電圧降下は4000分の1 （出力電圧の振幅よりも小さい） -約1〜2 mVになると予想されます。



上記の図6のように「1」から「0」に切り替えると、ブロッキングコンデンサは放出されたエネルギーを受け取るためのリザーバとして機能します。 負荷容量は放電され、電流はグランドに流出する必要があります。 ただし、エネルギーを即座に電源に転送することはできず、ブロッキングコンデンサが一時的にそれを保存します。

ローカル電源

主電源は、導体のインダクタンスのためにチップに十分な電力を提供できません。 各ワイヤには寄生インダクタンスがあり、電流の変化を防ぎます。 インダクタンスの定義から：

U = L dI / dt⇒dI = U dt / L



この式から、電流の変化はインダクタンスに反比例することがわかります。 言い換えると、インダクタンスが増加すると、他のすべての条件が同じであれば、所定の期間にわたって電流を変更することがより困難になります。 さらに、電流の変化により、インダクタンス全体で電圧降下が発生します。 ワイヤ（またはボード上のトラック）が長いほど、インダクタンスが高くなり、電流の急激な変化に強くなり、電圧降下が大きくなります。



ブロッキングコンデンサは、ローカルのエネルギー貯蔵デバイスです。 コンデンサからマイクロ回路までの導体のインダクタンスを最小化するために、常にマイクロ回路の電源ピンのできるだけ近くに設置する必要があります。 この回路は、共通電源回路とローカル電源回路を分離します。

負荷を増やす

超小型回路は6個のインバーターで構成されているため、回路を変更して消費電流を増やすことができます。





図7.負荷を追加した実験計画。





図8.負荷が追加された回路の出力電圧（上チャネル）と消費電流（下チャネル）。

上は330 kHzのクロック周波数、下は3.3 MHzです。

左側-ブロッキングコンデンサなし、右側-あり。



図5および6と比較して、現在の測定チャネルのY軸に沿った異なるスケールに注意してください。



ブロッキングコンデンサがない場合、GNDピンを流れる電流は約70 mAのエミッションになります。 後者が設置されている場合、上昇および下降前線で±50 mAの振幅を持つ放射の対称形を再び観察します。



左下の図8に示されているように、信号の前面がより穏やかになっていることに注意してください。 チップには、すぐに切り替えるのに十分なエネルギーがありません。 ブロッキングコンデンサ（右の図8）を取り付けると、前面の傾斜が許容レベルに戻ります。





図9.出力電圧（上チャネル）と消費電流（下チャネル）の正面。

左側がトレーリング（立ち下がり）フロント、右側がリーディング（昇順）フロントです。

ブロッキングコンデンサが取り付けられています。



信号前線を詳細に調べると、大量のエネルギーが必要なため、サージ電流の持続時間が長くなっていることがわかります。 超小型回路の負荷は、以前の約6倍になります（最初のインバーターは、残りのインバーターの入力容量に負荷され、それぞれ5 pFの5倍です）。



これは単純な例で、6つのインバーターのチップです。 次に、上記を多くの要素と多くの内部接続を含む複雑な論理回路に外挿します。 入力信号が変化するたびに再充電する必要がある浮遊容量がたくさんあります。 最後に、数千のバルブで構成されるマイクロコントローラーを想像してください。

接地

上記の説明と図は、ブロッキングコンデンサがその特別な機能を実行する重要な要素であるという事実を明確に理解する必要があります。 電源のエネルギーをローカルに保存し、必要に応じて出力し、余分なエネルギーも取り込みます。



ローカルのエネルギー貯蔵は、Vccコンダクターを介して主電源から絶えず補充されます。 同時に、余分なエネルギーは、GND導体を介して電源に放出する必要があります。 ブロッキングコンデンサへのエネルギーの放電により、その両端の電圧が上昇し、実際には、回路上に異なる電位のローカルエリアが短時間作成されます。 この不均衡の解消は非常に重要であり、接地を使用して実行されます。 （ここで、接地とは、私たちの惑星の質量への接続ではなく、電源の共通線への接続を意味します。-翻訳に注意してください。 ）



プリント回路基板には多くの場合、個別の接地層があり、エレメントを電源の共通導体に接続するのに非常に効果的です。 適切に設計された土地レイアウトは、過剰なエネルギーの放出にとって最も重要です。 しかし、注意してください、渦電流は連続的な接地層で発生する可能性があり、共通のワイヤとの多数の接続がいわゆるを形成する可能性があります。 土のループ。



経験のあるおなじみの開発者に連絡することは常に良い考えです。 ほとんどの間違いはすでに誰かによって以前に行われたものであり、それらを無限に繰り返す必要はありません。