«Coloca el condensador de desacoplo cerca del integrado.»
Todos los libros de diseño de circuitos lo dicen. Pero, sorprendentemente, pocos explican por qué tiene que estar cerca. Si solo lo recuerdas como «una regla», no sabrás adaptarte cuando surja un problema durante el trazado.
En este artículo explicamos cómo funciona un condensador de desacoplo y por qué debe colocarse «cerca», desde el punto de vista de la inductancia parásita, y lo comprobamos como formas de onda con simulaciones en uSimmics.
¿Qué es un condensador de desacoplo? — El «cargador instantáneo» del integrado
En una frase, la función de un condensador de desacoplo (bypass) es ser una «fuente de alimentación local» que suministra corriente rápidamente en el momento en que el integrado la necesita de repente.
Cuando un integrado digital conmuta, extrae una gran corriente de la alimentación en un instante. Si esa corriente tiene que venir de una fuente lejana, la inductancia de las líneas de alimentación y de masa estorba y la tensión oscila notablemente (esto es el rebote de masa explicado en el artículo anterior).
Si el condensador de desacoplo está justo al lado del integrado, este puede tomar carga del «condensador que tiene delante» en lugar de la «fuente lejana». Como un condensador libera carga con una inductancia casi nula, la oscilación de tensión se reduce enormemente.
Entre el condensador y el integrado existen pistas de la placa. Estas pistas siempre tienen inductancia. Cuanto mayor es la distancia entre el integrado y el condensador, mayor es esta inductancia. En adelante denotaremos esta inductancia debida al cableado como L_wire.
Cuando un condensador y una inductancia quedan en serie, forman un circuito LC. A altas frecuencias, esta inductancia se convierte en una gran impedancia que impide el flujo de corriente hacia el condensador. Es decir, cuanto más «lejos» está el condensador visto desde el integrado, menos efectivo resulta a altas frecuencias.
El propio condensador también tiene inductancia parásita
Otro punto a tener en cuenta es que el cuerpo del condensador también posee inductancia serie equivalente (ESL). En adelante la denotaremos como L_esl. La ESL de un condensador de montaje superficial (chip) ronda los 0,5–1 nH, pero en un condensador con terminales alcanza 5–20 nH o más.
Debido a esta ESL, un condensador tiene una «frecuencia máxima a la que puede funcionar como condensador» (su frecuencia de autorresonancia). Por encima de esa frecuencia, el condensador se comporta como una inductancia.
El motivo por el que se recomiendan condensadores cerámicos de chip para el desacoplo es precisamente que su ESL es pequeña, por lo que mantienen su efecto hasta altas frecuencias.
Las dos inductancias parásitas que han aparecido hasta ahora —la L_wire debida al cableado y la L_esl propia del condensador— quedan en serie, como se muestra abajo. Junto con la C del condensador, el circuito equivalente real resulta ser un circuito LC con «C, L_wire y L_esl» en serie.
Comprobación con uSimmics — La diferencia de efecto según la distancia
Experimento 1: variar la distancia del condensador de desacoplo
Veamos con una simulación cuánto cambia realmente.
Montamos el siguiente circuito en uSimmics:
- Una fuente de tensión (VCC = 3,3 V)
- Una fuente de corriente que emula la conmutación del integrado (tiempo de subida 1 ns)
- Un inductor que emula la pista entre el integrado y el condensador (L_wire)
- Un condensador de desacoplo (C = 0,1 μF, ESL = 1 nH)
- Nodo de observación: la tensión en el pin de alimentación del integrado
Lo que confirman las formas de onda:
- Cuanto más cerca está el condensador (L_wire pequeña), más se reduce la oscilación de la tensión de alimentación.
- Cuando el condensador está lejos (L_wire grande), hay situaciones en las que apenas tiene efecto aun estando presente.
- El periodo del ringing se alarga en proporción a la inductancia del cableado (la frecuencia de resonancia LC disminuye).
Experimento 2: variar la capacidad
La colocación en dos etapas es la respuesta — Cubrir la banda de frecuencia
Como es difícil cubrir toda la banda de frecuencia con un solo condensador de desacoplo, lo básico es colocar los condensadores de desacoplo en dos etapas.
Etapa 1: entrada de la placa (cobertura de baja frecuencia)
Se coloca justo después de la entrada de la alimentación a la placa. Sus objetivos son:
- Filtrar el ruido que ha penetrado desde el cableado externo
- Reducir la componente de baja frecuencia de la impedancia de alimentación de toda la placa
Componentes usados: condensadores electrolíticos de aluminio o de tántalo de unas decenas de μF. Si es necesario, se combinan con un inductor para formar un filtro LC.
Etapa 2: justo al lado del integrado (cobertura de alta frecuencia)
Se coloca justo al lado de los pines de alimentación y de masa del integrado. Sus objetivos son:
- Suministrar instantáneamente la corriente de conmutación del integrado
- Reducir la impedancia de alimentación en la región de alta frecuencia
Componentes usados: condensadores cerámicos de chip de 0,01–0,1 μF (priorizar una ESL baja). Como norma, uno por integrado. Para integrados de bajo consumo y baja velocidad, es aceptable uno cada dos o tres.
Cuando la etapa 2 se hace con dos condensadores
Si quieres que la cobertura de alta frecuencia abarque una banda más amplia, puedes usar dos tipos de condensador en la etapa 2 (por ejemplo, 0,1 μF + 0,001 μF). En ese caso, coloca el de menor valor en el lado más cercano al integrado. Cuanto menor es el condensador, más alta es su frecuencia de autorresonancia y, por tanto, más eficaz resulta frente a frecuencias muy altas.
Notas prácticas de implementación
¿Cómo de cerca es «cerca»?
Como guía, dentro de 2–3 mm de los pines de alimentación y de masa del integrado. Cuidado con los casos en que el trazado de las pistas alarga la distancia efectiva.
Lo importante aquí no es que la colocación parezca cercana, sino que el camino de pista por el que realmente circula la corriente sea lo más corto posible. Aunque coloques el condensador justo al lado del integrado, si las pistas hacia alimentación y masa dan un rodeo, la distancia como camino de corriente se alarga y la inductancia parásita aumenta igualmente. A la inversa, aunque haya algo de espacio, si el cableado es recto y corto el efecto se mantiene. El criterio debe basarse en «la longitud del camino del cableado», no en la «cercanía física».
La posición de la vía de masa también importa
En una placa multicapa, coloca la vía que conecta el lado de masa del condensador con el plano de masa lo más cerca posible de justo debajo del condensador. Si la vía queda lejos, la pista intermedia también se convierte en inductancia.
Resumen
- El condensador de desacoplo es una «fuente de alimentación local» que suministra al instante la corriente de conmutación del integrado y reduce la fluctuación de la tensión de alimentación.
- Cuanto más lejos del integrado, mayor es la inductancia del cableado y más se pierde su efecto a alta frecuencia; por eso se «coloca cerca».
- La propia ESL del condensador también limita el comportamiento a alta frecuencia, así que usa condensadores cerámicos de chip.
- La colocación en dos etapas (gran capacidad en la entrada de la placa + pequeña capacidad junto al integrado) cubre una banda de frecuencia amplia.
No basta con «poner un condensador de desacoplo»: pensar «dónde, qué y en cuántas etapas» es lo que de verdad importa en la mitigación de ruido real.
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