„Platzieren Sie den Abblockkondensator nah am IC.“
In jedem Lehrbuch zum Schaltungsentwurf steht das. Erstaunlich wenige erklären jedoch, warum er nah sein muss. Wer es sich nur als „Regel“ merkt, kann sich nicht anpassen, wenn beim Layout ein Problem auftritt.
In diesem Artikel erklären wir, wie ein Abblockkondensator funktioniert und warum er „nah“ platziert werden muss – aus Sicht der parasitären Induktivität – und bestätigen es als Wellenformen mit uSimmics-Simulationen.
Was ist ein Abblockkondensator? — Das „Sofortladegerät“ des ICs
In einem Satz: Die Aufgabe eines Abblockkondensators (Bypass-Kondensators) ist es, eine „lokale Stromversorgung“ zu sein, die in dem Moment, in dem der IC plötzlich Strom braucht, diesen Strom schnell liefert.
Wenn ein digitaler IC schaltet, zieht er in einem Augenblick einen großen Strom aus der Versorgung. Muss dieser Strom aus einer weit entfernten Versorgung kommen, stört die Induktivität auf den Versorgungs- und GND-Leitungen und die Spannung schwankt stark (das ist der im vorherigen Artikel erklärte Ground Bounce).
Sitzt der Abblockkondensator direkt neben dem IC, kann der IC Ladung aus „dem Kondensator vor ihm“ statt aus der „weit entfernten Versorgung“ beziehen. Da ein Kondensator Ladung mit nahezu null Induktivität abgibt, wird die Spannungsschwankung stark unterdrückt.
Zwischen dem Kondensator und dem IC liegen Leiterbahnen. Diese Bahnen haben immer Induktivität. Je größer der Abstand zwischen IC und Kondensator, desto größer diese Induktivität. Im Folgenden bezeichnen wir diese aus der Leitung stammende Induktivität als L_wire.
Wenn ein Kondensator und eine Induktivität in Reihe liegen, bilden sie einen LC-Kreis. Bei hohen Frequenzen wird diese Induktivität zu einer großen Impedanz, die den Stromfluss in den Kondensator behindert. Das heißt: Je „weiter“ der Kondensator vom IC aus gesehen ist, desto unwirksamer wird er bei hohen Frequenzen.
Auch der Kondensator selbst hat eine parasitäre Induktivität
Zu beachten ist außerdem, dass auch der Kondensatorkörper selbst eine äquivalente Serieninduktivität (ESL) besitzt. Im Folgenden bezeichnen wir sie als L_esl. Die ESL eines Chip-Kondensators liegt bei etwa 0,5–1 nH, bei einem bedrahteten Kondensator jedoch bei 5–20 nH oder mehr.
Wegen dieser ESL hat ein Kondensator eine „obere Frequenz, bis zu der er sich noch als Kondensator verhält“ (seine Eigenresonanzfrequenz). Oberhalb dieser Frequenz verhält sich der Kondensator wie eine Induktivität.
Der Grund, warum für die Abblockung Chip-Keramikkondensatoren empfohlen werden, ist genau dieser: Ihre ESL ist klein, sodass sie ihre Wirkung bis zu hohen Frequenzen behalten.
Die beiden bisher aufgetretenen parasitären Induktivitäten – die aus der Leitung stammende L_wire und die dem Kondensator eigene L_esl – liegen, wie unten gezeigt, in Reihe. Zusammen mit dem C des Kondensators zeigt sich, dass die reale Ersatzschaltung ein LC-Kreis mit „C, L_wire und L_esl“ in Reihe ist.
Überprüfung mit uSimmics — Der Wirkungsunterschied je nach Abstand
Experiment 1: den Abstand des Abblockkondensators variieren
Sehen wir uns per Simulation an, wie stark es sich tatsächlich ändert.
Wir bauen die folgende Schaltung in uSimmics auf:
- Eine Spannungsquelle (VCC = 3,3 V)
- Eine Stromquelle, die das Schalten des ICs nachbildet (Anstiegszeit 1 ns)
- Eine Induktivität, die die Leiterbahn zwischen IC und Kondensator nachbildet (L_wire)
- Ein Abblockkondensator (C = 0,1 μF, ESL = 1 nH)
- Beobachtungsknoten: die Spannung am Versorgungspin des ICs
Was die Wellenformen bestätigen:
- Je näher der Kondensator (kleine L_wire), desto stärker wird die Schwankung der Versorgungsspannung unterdrückt.
- Ist der Kondensator weit entfernt (große L_wire), gibt es Fälle, in denen er trotz Vorhandenseins kaum Wirkung zeigt.
- Die Ringing-Periode verlängert sich proportional zur Leitungsinduktivität (die LC-Resonanzfrequenz sinkt).
Experiment 2: die Kapazität variieren
Die zweistufige Platzierung ist die Lösung — Das Frequenzband abdecken
Da es schwierig ist, das gesamte Frequenzband mit einem einzigen Abblockkondensator abzudecken, ist es grundlegend, die Abblockkondensatoren in zwei Stufen zu platzieren.
Stufe 1: Platineneingang (Abdeckung niedriger Frequenzen)
Wird direkt hinter dem Eintritt der Versorgung in die Platine gesetzt. Ihre Zwecke sind:
- Filtern von Rauschen, das über die externe Verdrahtung eingedrungen ist
- Absenken der Niederfrequenzkomponente der gesamten Versorgungsimpedanz der Platine
Verwendete Bauteile: Aluminium-Elektrolyt- oder Tantal-Kondensatoren von einigen zehn μF. Bei Bedarf mit einer Induktivität zu einem LC-Filter kombinieren.
Stufe 2: unmittelbar am IC (Abdeckung hoher Frequenzen)
Wird direkt neben die Versorgungs- und GND-Pins des ICs gesetzt. Ihre Zwecke sind:
- Den Schaltstrom des ICs augenblicklich liefern
- Die Versorgungsimpedanz im Hochfrequenzbereich absenken
Verwendete Bauteile: Chip-Keramikkondensatoren von 0,01–0,1 μF (niedrige ESL bevorzugen). Grundsätzlich einer pro IC. Für ICs mit geringem Stromverbrauch und niedriger Geschwindigkeit ist einer pro zwei oder drei ICs akzeptabel.
Wenn Stufe 2 aus zwei Kondensatoren besteht
Wenn die Hochfrequenzabdeckung ein breiteres Band umfassen soll, können Sie in Stufe 2 zwei Kondensatortypen verwenden (zum Beispiel 0,1 μF + 0,001 μF). Platzieren Sie dabei den kleineren Wert auf der dem IC näheren Seite. Je kleiner der Kondensator, desto höher seine Eigenresonanzfrequenz und desto wirksamer gegen sehr hohe Frequenzen.
Praktische Layout-Hinweise
Wie nah ist „nah“?
Als Richtwert innerhalb von 2–3 mm von den Versorgungs- und GND-Pins des ICs. Achten Sie auf Fälle, in denen die Leiterbahnführung den effektiven Abstand verlängert.
Entscheidend ist hier nicht, dass die Platzierung nah aussieht, sondern dass der Leiterbahnpfad, durch den der Strom tatsächlich fließt, so kurz wie möglich ist. Selbst wenn Sie den Kondensator direkt neben den IC setzen: Werden die Bahnen zu Versorgung und GND weiträumig geführt, wird der Abstand als Strompfad lang und die parasitäre Induktivität steigt gleichermaßen. Umgekehrt bleibt die Wirkung erhalten, wenn die Verdrahtung gerade und kurz ist, auch bei etwas Zwischenraum. Das Kriterium sollte „die Länge des Leitungspfads“ sein, nicht die „physische Nähe“.
Auch die Position des GND-Vias ist wichtig
Setzen Sie bei einer mehrlagigen Platine das Via, das die GND-Seite des Kondensators mit der Massefläche verbindet, so nah wie möglich direkt unter den Kondensator. Liegt das Via weit entfernt, wird auch die dazwischenliegende Bahn zur Induktivität.
Zusammenfassung
- Der Abblockkondensator ist eine „lokale Stromversorgung“, die den Schaltstrom des ICs augenblicklich liefert und die Versorgungsspannungsschwankung unterdrückt.
- Je weiter er vom IC entfernt ist, desto mehr steigt die Leitungsinduktivität und desto mehr geht seine Hochfrequenzwirkung verloren – deshalb „platziert man ihn nah“.
- Auch die ESL des Kondensators selbst begrenzt das Hochfrequenzverhalten, verwenden Sie daher Chip-Keramikkondensatoren.
- Die zweistufige Platzierung (große Kapazität am Platineneingang + kleine Kapazität unmittelbar am IC) deckt ein breites Frequenzband ab.
Nicht „einen Abblockkondensator hinsetzen genügt“, sondern bis hin zu „wo, was und in wie vielen Stufen“ durchzudenken – das ist es, worauf es bei der praktischen Störunterdrückung ankommt.
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