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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik 10uF und 0,1uF parallel nötig?


Autor: stero (Gast)
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Es ist ja üblich bei ICs 0,1uF zur Entstörung der Versorgungsspannung zu 
verwenden. Wenn man mehr Stromreserve braucht wird auch gerne 10uF 
vorgeschaltet. Jetzt habe ich ein IC, bei dem sowohl 0,1uF als auch 10uF 
parallel vorgeschaltet werden sollen. Ich vermute, daß im Normalfall für 
sowas Tantalkondensatoren für 10uF verwendet werden, die einen etwas 
höheren Innenwiderstand haben als Keramikkondensatoren. Um diesen 
Nachteil auszugleichen, schaltet man vermutlich dann noch einen kleinen 
Kondensator in Keramikbauweise mit 0,1uF parallel, der dann die sehr 
kurzen Stromspitzen wegen des kleinen Innenwiderstandes wegbügeln kann. 
Ist das so richtig?

Jetzt gibt es aber auch kleine 10uF Keramikkondensatoren (SMD 0603 z.B. 
bei Reichelt) mit einem geringen Innenwiderstand. Kann man nun darauf 
verzichten noch den kleinen 0,1uF Keramikkondensator parallel zu 
schalten, wenn der 10uF Kondensator bereits ein keramischer ist?

Ich möchte diesen Beschleunigungssensor einsetzen. Auf Seite 20 ist der 
kleine Schaltplan: 
http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sh...

Viele Grüße
Stephan

Autor: A. K. (prx)
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stero schrieb:

> Kann man nun darauf
> verzichten noch den kleinen 0,1uF Keramikkondensator parallel zu
> schalten, wenn der 10uF Kondensator bereits ein keramischer ist?

Nein, es geht dabei nicht um den ohmschen Innenwiderstand, sondern um 
die parasitäre Induktivität. Die zusammen mit der Kapazität einen 
Schwingkreis bildet. Die Grenzfrequenz, bis zu der ein Kondensator noch 
Kondensator ist, sinkt folglich mit steigender Kapazität.

Autor: stero (Gast)
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A. K. schrieb:
>> Kann man nun darauf
>> verzichten noch den kleinen 0,1uF Keramikkondensator parallel zu
>> schalten, wenn der 10uF Kondensator bereits ein keramischer ist?
>
> Nein, es geht dabei nicht um den ohmschen Innenwiderstand, sondern um
> die parasitäre Induktivität. Die zusammen mit der Kapazität einen
> Schwingkreis bildet. Die Grenzfrequenz, bis zu der ein Kondensator noch
> Kondensator ist, sinkt folglich mit steigender Kapazität.

Hallo A.K.
vielen Dank für die Antwort.

Hier ein Auszug aus der Reichelt Seite des 10uF Keramikkondensators: 
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B351B;GROUP...

High-Caps SMD-Keramik-Vielschicht-Kondensator
Als Alternative zu Tantalkondensatoren.
Durch niedrigen ESR und geringe Impedanz des Keramikkondensators 
reicht für den Einsatz als Entstörkondensator meist ein Bruchteil der 
Kapazität eines Tantalkondensators.
• besseres Impulsverhalten
• höhere Durchbruchspannung
• verpolungssicher
• geringe Ausfallrate
• höherer Isolationswiderstand.

Wahrscheinlich ist das wieder so eine Ermessenssache, ob die Impedanz 
gering genug ist um auf den zweiten Kondensator verzichten zu können. 
Ich werde aber wohl auf Deinen Rat hören und je zwei 
Keramikkondensatoren 0,1 und 10 uF verbauen.

Viele Grüße
Stephan

Autor: Micha (Gast)
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Sieh dir mal ein Datenbatt mit Impedanz-Plots zu einer KerKo-Serie mit 
verschiedenen Werten an. Dort wirst du die Frequenzabhängigkeit sehen. 
(Ich glaube) Von Kemet gibt's auch ein entsprechendes Tool, nur weiß ich 
den Namen nicht.

Autor: stero (Gast)
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Micha schrieb:
> Sieh dir mal ein Datenbatt mit Impedanz-Plots zu einer KerKo-Serie mit
> verschiedenen Werten an. Dort wirst du die Frequenzabhängigkeit sehen.

Hallo Micha,

vielen Dank für die Antwort. Ich habe gerade bei Wikipedia eine 
allgemeine Gegenüberstellung von Impedanz und Kapazität bei KerKos 
gefunden: 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4...

Daraus ist zu erkennen wie A.K. schon gesagt hat, daß bei steigender 
Kapazität auch die Frequenztauglichkeit leidet.

Viele Grüße
Stephan

Autor: Anja (Gast)
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Hallo,

wobei ein AL-Elko noch den Vorteil hat daß er bei parallelschaltung mit 
einem Keramik-C eine schlechte Güte (= Hohe Dämpfung für Störungen 
besitzt). Bei Parallelschaltung von Keramik-Kondensatoren gibt es bei 
ungünstigen Abständen (Leiterbahninduktivitäten) sehr ungünstige 
Parallelresonanzen (zwischen den beiden Einzel-Resonanzfrequenzen) falls 
der Kapazitätsunterschied zu groß ist.

Gruß Anja

Autor: Christoph H. (wtzm)
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Micha schrieb:
> Von Kemet gibt's auch ein entsprechendes Tool, nur weiß ich
> den Namen nicht.

KEMET Spice wäre das.

Autor: stero (Gast)
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Also langsam bin ich verunsichert. Wenn im Datenblatt von dem Sensor 
lediglich die Kondensatoren 0,1 und 10 uF angegeben sind. Kann ich dann 
einfach jeden beliebigen Kondensator Typ einsetzen, oder gehen die 
stillschweigend davon aus, daß man für den 10uF schon einen mit höherer 
Dämpfung einsetzen wird, wie z.B. Tantal-Elko?
Mit Spice habe ich leider keine Erfahrung.

Viele Grüße
Stephan

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Pauschal kann man das natürlich nie sagen. Aber generell gilt:
Der 10µF wird dann ein Tantal sein. Oder eventuell noch ein UltraLowESR 
Elko.
die 0,1µF sind keramisch (sowieso).

Da 10µF keramisch und 0,1µF keramisch eben diese schon erwähnte 
Schwingneigung haben (ESL vom einen Kondensator + Kapazität vom anderen 
Kondensator -> Schwingkreis).

Autor: stero (Gast)
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Vielen Dank an alle!

Autor: Micha (Gast)
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Guck dir mal sämtliche Dokumente zu dem Teil und auch die verfügbaren 
Eval-Boards an. Speziell AN3468 und ZSTAR3RM - dort findest du noch ein 
paar Infos und sogar Bilder.

Autor: Stephan R. (stero)
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Hi Micha,

dein Hinweis auf das Application Note dürfte wohl der Beweis sein :)
http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/app_n...

Auf der 1. Seite "Actual Image of the Board" sind C1-C4 alles 
Keramikkondensatoren. Tantal mit 10uF hätte eine größere Bauform.

Vielen Dank!!
Stephan

Autor: Arc Net (arc)
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Stephan Rolfes schrieb:
> Hi Micha,
>
> dein Hinweis auf das Application Note dürfte wohl der Beweis sein :)
> http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/app_n...
>
> Auf der 1. Seite "Actual Image of the Board" sind C1-C4 alles
> Keramikkondensatoren. Tantal mit 10uF hätte eine größere Bauform.

Die gibt's auch als 0402, dann allerdings nur für < 2V,
0603 zumindest bis 10V.

>
> Vielen Dank!!
> Stephan

Von AVX gibt's ein paar AppNotes zu dem Thema:
http://www.avx.com/docs/techinfo/mlc-tant.pdf
http://www.avx.com/docs/techinfo/supvmlc.pdf

Autor: Anja (Gast)
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Stephan Rolfes schrieb:
> dein Hinweis auf das Application Note dürfte wohl der Beweis sein :)
> http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/app_n...
>
> Auf der 1. Seite "Actual Image of the Board" sind C1-C4 alles
> Keramikkondensatoren. Tantal mit 10uF hätte eine größere Bauform.

Dafür ist dann im Schaltplan in Figure 2 und Figure 4 sowohl der 100nF 
als auch der 10 uF als gepolter Kondensator eingezeichnet :-(

Gruß Anja

Autor: Stephan R. (stero)
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Anja schrieb:
> Dafür ist dann im Schaltplan in Figure 2 und Figure 4 sowohl der 100nF
> als auch der 10 uF als gepolter Kondensator eingezeichnet :-(
Das hat wohl nicht viel zu bedeuten, wenn sogar der 100nF Kondensator 
mit Polung angegeben ist.

VG Stephan

Autor: HildeK (Gast)
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Anja schrieb:
> Dafür ist dann im Schaltplan in Figure 2 und Figure 4 sowohl der 100nF
> als auch der 10 uF als gepolter Kondensator eingezeichnet :-(

Es gibt auch heute noch 0.1µF Tantals, also gepolte Ausführung. Wozu, 
ist mir auch nicht klar :-). So ab 1MHz unterscheidet sich aber der 
Impedanzverlauf im Vergleich zu einem keramischen 0603 dann schon 
erheblich.
Die Impedanzkurve aus aus einem 10µ Ta und einem 100n ker. ist auf jeden 
Fall schlechter als die eines einzelnen 10µ keramischen und das schon ab 
wenig oberhalb von 10kHz. Erst oberhalb 100MHz nähert sich beide 
Varianten wieder an - da ist dann der 100n ker das bestimmende Element.
Meine Aussagen stützen sich auf Simulationen mit Kemet Spice.

Anja schrieb:
> Bei Parallelschaltung von Keramik-Kondensatoren gibt es bei
> ungünstigen Abständen (Leiterbahninduktivitäten) sehr ungünstige
> Parallelresonanzen (zwischen den beiden Einzel-Resonanzfrequenzen) falls
> der Kapazitätsunterschied zu groß ist.

Unbedingt wichtig: Die Cs müssen X7R oder X5R sein (keinesfalls C0G), 
sie müssen dicht nebeneinander sitzen, flächig miteinander verbunden 
sein und mit mehreren Vias an die GND- und VCC-Planes angebunden werden.
Wir machen seit 15 Jahren Entkopplung nach Dirks. Mit 3-5 Cs parallel, 
in abgestuften Werten. Das hat sich bestens bewährt und die 3-5Cs 
reichen für alle ICs in einem Bereich 5cm x 5cm. Kostet aber 
Leiterplattenlagen.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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HildeK schrieb:
> Unbedingt wichtig: Die Cs müssen X7R oder X5R sein (keinesfalls C0G),
> sie müssen dicht nebeneinander sitzen, flächig miteinander verbunden
> sein und mit mehreren Vias an die GND- und VCC-Planes angebunden werden.
> Wir machen seit 15 Jahren Entkopplung nach Dirks. Mit 3-5 Cs parallel,
> in abgestuften Werten. Das hat sich bestens bewährt und die 3-5Cs
> reichen für alle ICs in einem Bereich 5cm x 5cm. Kostet aber
> Leiterplattenlagen.

Ich dachte immer, dass gerade das Abstufen von Keramikkondensatoren zu 
den größten Schwingungsproblemen führt.
Mglw. ist diese Ansicht ja auch schon älterer Natur und es hat sich 
schon eine Menge in der Keramikkondensator-Welt getan.

Kannst du irgendwie ein Bild von diesem Kemet Spice anhängen?

Autor: HildeK (Gast)
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Simon K. schrieb:
> Ich dachte immer, dass gerade das Abstufen von Keramikkondensatoren zu
> den größten Schwingungsproblemen führt.
> Mglw. ist diese Ansicht ja auch schon älterer Natur und es hat sich
> schon eine Menge in der Keramikkondensator-Welt getan.

Naja, dann ist es eher umgekehrt. Wir haben das in den 90er Jahren 
erstmals verwendet und untersucht und waren mit den Ergebnissen sehr 
zufrieden. Danach dann nicht mehr nachuntersucht - aber auch keine 
Auffälligkeiten beobachtet. Wenn sich die Cs in der Zwischenzeit 
geändert haben, dann könnte das auch zu unserem Nachteil gewesen sein. 
Bemerkt haben wir aber schon, dass oftmals kleine Werte (<500pF) nicht 
mehr als X7R zu erhalten waren. Die X7R haben einen hohen Verlustfaktor 
und gerade der wird hier gebraucht, um das von dir beschriebene Problem 
zu vermeiden.
Ich habe mal zwei Vergleichsplots angehängt. Einmal mit X7R (Nr.74) , 
einmal mit C0G-Cs (auch als CG0 oder NP0 bezeichnet; Nr. 69). Der 
Impedanzverlauf ist schon eindeutig. Die rote Kurve ist jeweils der 
Verlauf bei Parallelschaltung.

Autor: Anja (Gast)
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HildeK schrieb:
> Ich habe mal zwei Vergleichsplots angehängt
Wobei Du in den Plots bei 1 GHz ca 2-3 Ohm Impedanz berechnet hast. Wenn 
ich mal überschlage ist das dann direkt am Kondensator gemessen in einem 
Maximalabstand von 0,25 mm (Gnd + VCC in Summe = 0,5mm) wenn der 
Kondensator als Induktivitätsfrei angesehen wird.

Ich behaupte mal daß die Anschluß+Bonddrähte von Deinen Schaltkreisen 
viel länger sind und daher der 220pF-Kondensator obsolet ist.

Gruß Anja

Autor: M. W. (hobbyloet)
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Hallo Anja,

wärst Du so nett, diese Schaltung zu Beurteilen?
Ich hänge da an den Symbolen (Unbenannte). :)

Es soll Vin 5V sein und Vout 23V. (Eigentlich)

Autor: Volker (Gast)
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HildeK wrote:

>>Unbedingt wichtig: Die Cs müssen X7R oder X5R sein (keinesfalls C0G)

Wo gibt es denn biite 10uF als COG (NP0), ich würde aber von Y5V 
absehen, also X7R bzw. X5R ist schon richtig.

Gruß Volker

Autor: HildeK (Gast)
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@Anja,
ja, der 220pF wurde auch meist nicht mehr verwendet.
Aber hier möchte ich zwischen zwei Dingen trennen, das ist leider bei 
meinen Ausführungen nicht so ganz deutlich geworden.
1. Die Plots habe ich auf Wunsch von Simon K. erstellt, um den 
Unterschied zw. X7R und NP0 zu zeigen. Die Kondensatorwerte waren 
sinnvoll gestuft, aber insgesamt etwas klein gewählt - Grund: der größte 
Wert bei NP0 waren die 150nF und drei sinnvoll gestuften Werte wollte 
ich in den Vergleich einbeziehen.

2. Die von mir angesprochene Entkopplung mit abgestuften Kondensatoren 
(ca. 4,7µ Ta [vor der Zeit, als es große Keramik-Cs gab], 220nF, 15nF, 
1nF) wurden noch ergänzt durch einen Plattenkondensator aus zwei nahe 
beieinanderliegenden Lagen (50µ ... 100µ) der Leiterplatte mit den 
Abmessungen ca. 5cm x 5cm. Speziell dieser Plattenkondensator hat den 
Bereich oberhalb ca. 100MHz entkoppelt, ohne den bei konzetrierten BE zu 
findenden Impedanzanstieg durch die induktive Komponente zu haben. Ziel 
war es, bis 1GHz unter 1 Ohm Impedanz zu bleiben. Diese C-Kombination 
saß optimal in der Mitte dieser Fläche und waren die einzigen 
Entkoppel-Cs für diese eine VCC-GND-Kombination.
Für optimale Ergebnisse waren mehrere Vias (4..8) auf jeder Seite der 
vier Cs wichtig, ebenso wie die möglichst kurze Anbindung der IC-Pins an 
die Planes.

Dass die Bonddrähte und der Weg in den Chip (z.B. bei großen BGAs) ein 
Problem ist, ist schon klar. Aber, ich kann nur an den Lötstellen der 
Anschlusspins die Spannung so ruhig wie möglich machen, was danach 
kommt, entzieht sich meinem Einfluss bei gegebenem IC-Gehäuse. Wichtig 
ist auch, dass auf der Spannungsversorgungsplane selbst Ruhe ist: 
Stichwort EMC.

Volker schrieb:
> Wo gibt es denn biite 10uF als COG (NP0), ich würde aber von Y5V
> absehen, also X7R bzw. X5R ist schon richtig.

Ich habe nicht behauptet, dass es den gibt. Aber im Bereich <10nF sind 
sie auf jeden Fall vertreten und häufig bei den in der Firma 
zugelassenen vorgezogen worden, wegen der geringeren Verluste und der 
besseren Temperaturstabilität. Leider für die Entkopplung schlechter 
geeignet.

Autor: Volker (Gast)
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HildeK schrieb

> zugelassenen vorgezogen worden, wegen der geringeren Verluste und der
> besseren Temperaturstabilität. Leider für die Entkopplung schlechter
> geeignet.

Und warum dann überhaupt die Mühe die Kondensatoren verlustfrei 
(niedrige Induktivität und Impedanz) flächenförmig mit mehreren Vias an 
die Versorgungsplanes anzubinden, verstehe ich nicht.


Gruß Volker

Autor: Volker (Gast)
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Hab mir die Plots nochmals angesehen und bin der Meinung, dass der 
Unterschied nicht von Materialart COG bzw. X7R kommt.
Vielmehr wurden in Plot 69 Baufrom 1812 und 1210 verwendet, im anderen
0402 und 0603.

Wenn man schon verschiedene Materiale untersucht, sollte wenigstens die 
Bauform gleich sein.

Gruß Volker

Autor: M. W. (hobbyloet)
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M. W. schrieb:
> Hallo Anja,
>
> wärst Du so nett, diese Schaltung zu Beurteilen?
> Ich hänge da an den Symbolen (Unbenannte). :)
>
> Es soll Vin 5V sein und Vout 23V. (Eigentlich)

Bisher 18*DL und keiner macht eine Antwort, schade.

Autor: HildeK (Gast)
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Volker schrieb:
> Wenn man schon verschiedene Materiale untersucht, sollte wenigstens die
> Bauform gleich sein.

Geht in der gewählten Kombination leider nicht, da die in den jeweiligen 
Gruppen nicht zur Verfügung stehen.
Der Anteil der Bauform ist vorhanden aber nicht entscheidend.
Übrigens: Kemet Spice ist auf der Webseite von Kemet kostenlos 
erhältlich. Du kannst deine eigenen Untersuchungen starten. Man findet 
bestimmt eine Kombination von (anderen) Werten mit gleicher Gehäusegröße 
bzw. kann den Einfluss des Package herausstellen.

M. W. schrieb:
> Bisher 18*DL und keiner macht eine Antwort, schade.

Er will ja nur von Anja die Antwort :-)

Autor: HildeK (Gast)
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Volker schrieb:
> Und warum dann überhaupt die Mühe die Kondensatoren verlustfrei
> (niedrige Induktivität und Impedanz) flächenförmig mit mehreren Vias an
> die Versorgungsplanes anzubinden, verstehe ich nicht.

Verlustbehaftete Kondensatoren verhindern Schwingkreise mit hoher Güte 
und damit mit ausgeprägten Resonanzstellen. Teile der Schwingkreise sind 
die Leitungsinduktivitäten.
Also: induktivitätsarme Anbindung und verlustbehaftete Kondensatoren 
zielen beide auf das selbe gewünschte Verhalten ab eine Parallelresonanz 
zu verhindern.

Autor: Stephan R. (stero)
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Hier zwei interessante Abhandlungen über Entkopplungskondensatoren:

http://www.google.de/url?sa=t&source=web&cd=1&ved=...
http://www.google.de/url?sa=t&source=web&cd=4&ved=...

VG Stephan

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