« Placez le condensateur de découplage près du CI. »
Tous les manuels de conception de circuits le disent. Pourtant, étonnamment peu expliquent pourquoi il doit être proche. Si vous ne le retenez que comme « une règle », vous ne saurez pas vous adapter le jour où un problème surgit lors du routage.
Dans cet article, nous expliquons comment fonctionne un condensateur de découplage et pourquoi il doit être placé « près », du point de vue de l’inductance parasite, et nous le vérifions sous forme d’ondes avec des simulations sous uSimmics.
Qu’est-ce qu’un condensateur de découplage ? — Le « chargeur instantané » du CI
En une phrase, le rôle d’un condensateur de découplage est d’être une « alimentation locale » qui fournit rapidement du courant à l’instant où le CI en a soudainement besoin.
Lorsqu’un CI numérique commute, il puise un courant important dans l’alimentation en un instant. Si ce courant doit provenir d’une alimentation éloignée, l’inductance des lignes d’alimentation et de masse fait obstacle et la tension oscille fortement (c’est le rebond de masse expliqué dans l’article précédent).
Si le condensateur de découplage est juste à côté du CI, celui-ci peut puiser de la charge dans « le condensateur devant lui » plutôt que dans « l’alimentation lointaine ». Comme un condensateur restitue de la charge avec une inductance quasi nulle, l’oscillation de tension est fortement réduite.
Entre le condensateur et le CI se trouvent des pistes de la carte. Ces pistes ont toujours de l’inductance. Plus la distance entre le CI et le condensateur augmente, plus cette inductance est grande. Nous noterons désormais cette inductance issue du câblage L_wire.
Lorsqu’un condensateur et une inductance sont en série, ils forment un circuit LC. À haute fréquence, cette inductance devient une grande impédance qui gêne le passage du courant vers le condensateur. Autrement dit, plus le condensateur est « loin » vu du CI, moins il est efficace à haute fréquence.
Le condensateur lui-même a aussi une inductance parasite
Autre point de vigilance : le corps du condensateur possède lui aussi une inductance série équivalente (ESL). Nous la noterons désormais L_esl. L’ESL d’un condensateur CMS (puce) est d’environ 0,5–1 nH, mais celle d’un condensateur à fils atteint 5–20 nH ou plus.
À cause de cette ESL, un condensateur possède une « fréquence maximale à laquelle il peut fonctionner comme condensateur » (sa fréquence d’auto-résonance). Au-delà de cette fréquence, le condensateur se comporte comme une inductance.
Si l’on recommande des condensateurs céramiques CMS pour le découplage, c’est précisément parce que leur ESL est faible, ce qui leur permet de conserver leur effet jusqu’à haute fréquence.
Les deux inductances parasites apparues jusqu’ici — la L_wire issue du câblage et la L_esl propre au condensateur — se placent en série, comme illustré ci-dessous. Combinées à la C du condensateur, on voit que le circuit équivalent réel est un circuit LC avec « C, L_wire et L_esl » en série.
Vérification avec uSimmics — La différence d’effet selon la distance
Expérience 1 : faire varier la distance du condensateur de découplage
Voyons par simulation à quel point cela change réellement.
Nous construisons le circuit suivant sous uSimmics :
- Une source de tension (VCC = 3,3 V)
- Une source de courant qui émule la commutation du CI (temps de montée 1 ns)
- Une inductance qui émule la piste entre le CI et le condensateur (L_wire)
- Un condensateur de découplage (C = 0,1 μF, ESL = 1 nH)
- Nœud d’observation : la tension à la broche d’alimentation du CI
Ce que confirment les formes d’onde :
- Plus le condensateur est proche (L_wire faible), plus l’oscillation de la tension d’alimentation est réduite.
- Quand le condensateur est loin (L_wire grande), il existe des cas où il n’a presque aucun effet bien qu’il soit présent.
- La période du ringing s’allonge proportionnellement à l’inductance du câblage (la fréquence de résonance LC diminue).
Expérience 2 : faire varier la capacité
Le placement en deux étages est la bonne réponse — Couvrir la bande de fréquences
Comme il est difficile de couvrir toute la bande de fréquences avec un seul condensateur de découplage, la règle de base est de placer les condensateurs de découplage en deux étages.
Étage 1 : entrée de la carte (couverture basse fréquence)
Placé juste après l’entrée de l’alimentation sur la carte. Ses objectifs :
- Filtrer le bruit ayant pénétré par le câblage externe
- Abaisser la composante basse fréquence de l’impédance d’alimentation de toute la carte
Composants utilisés : condensateurs électrolytiques à l’aluminium ou au tantale de quelques dizaines de μF. Si nécessaire, on les combine avec une inductance pour former un filtre LC.
Étage 2 : au plus près du CI (couverture haute fréquence)
Placé juste à côté des broches d’alimentation et de masse du CI. Ses objectifs :
- Fournir instantanément le courant de commutation du CI
- Abaisser l’impédance d’alimentation dans la région haute fréquence
Composants utilisés : condensateurs céramiques CMS de 0,01–0,1 μF (privilégier une faible ESL). En principe, un par CI. Pour les CI à faible consommation et lents, un pour deux ou trois est acceptable.
Lorsque l’on fait de l’étage 2 deux condensateurs
Si vous souhaitez que la couverture haute fréquence s’étende sur une bande plus large, vous pouvez utiliser deux types de condensateurs à l’étage 2 (par exemple 0,1 μF + 0,001 μF). Dans ce cas, placez celui de plus faible valeur du côté le plus proche du CI. Plus un condensateur est petit, plus sa fréquence d’auto-résonance est élevée et donc plus il est efficace face aux très hautes fréquences.
Points pratiques d’implantation
« Près », c’est à quelle distance ?
À titre indicatif, à moins de 2–3 mm des broches d’alimentation et de masse du CI. Attention aux cas où le routage des pistes allonge la distance effective.
Ce qui compte ici, ce n’est pas que le placement paraisse proche, mais que le chemin de piste réellement parcouru par le courant soit le plus court possible. Même si vous placez le condensateur juste à côté du CI, si les pistes vers l’alimentation et la masse font un détour, la distance en tant que chemin de courant s’allonge et l’inductance parasite augmente d’autant. À l’inverse, même avec un peu d’espace, si le câblage est droit et court, l’effet est préservé. Le critère doit être « la longueur du chemin de câblage », et non la « proximité physique ».
La position du via de masse compte aussi
Sur une carte multicouche, placez le via qui relie le côté masse du condensateur au plan de masse aussi près que possible juste sous le condensateur. Si le via est éloigné, la piste intermédiaire devient elle aussi de l’inductance.
Résumé
- Le condensateur de découplage est une « alimentation locale » qui fournit instantanément le courant de commutation du CI et réduit la fluctuation de la tension d’alimentation.
- Plus il est loin du CI, plus l’inductance du câblage augmente et plus son effet à haute fréquence se perd — c’est pourquoi on le « place près ».
- L’ESL propre au condensateur limite aussi le comportement à haute fréquence, alors utilisez des condensateurs céramiques CMS.
- Le placement en deux étages (forte capacité à l’entrée de la carte + faible capacité au plus près du CI) couvre une large bande de fréquences.
Non pas « il suffit de mettre un condensateur de découplage », mais réfléchir à « où, quoi et en combien d’étages » : voilà ce qui compte dans la réduction du bruit en pratique.
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