Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Grenzfrequenz von Abblockkondensatoren


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von Danish B. (danishbelal)


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Hallo,

ich habe heute gesehen, dass die meisten Abblockkondensatoren (0805, 
~100nF) eine Grenzfrequenz von ca. 20-30MHz aufweisen.


In den Datenblättern von einigen MCU's steht allerdings drin, dass ein 
Ablockkondensator von ~100nF mit einer Grenzfrequenz von min. 200MHz 
genutzt werden soll. (Taktfrequenz in diesem Fall ~48MHz).

Klar ergibt Sinn. Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer 
Resonanzfrequenz von 200MHz. Meist eher faktor 10 kleiner.

Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung? Da wird man doch noch keine 
Low-ESL Kondensatoren oder mehrere parallel benötigen. Oder doch?

Eine Aufklärung wäre echt toll.

: Verschoben durch Moderator
von MiWi (Gast)


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Danish B. schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe heute gesehen, dass die meisten Abblockkondensatoren (0805,
> ~100nF) eine Grenzfrequenz von ca. 20-30MHz aufweisen.
>
>
> In den Datenblättern von einigen MCU's steht allerdings drin, dass ein
> Ablockkondensator von ~100nF mit einer Grenzfrequenz von min. 200MHz
> genutzt werden soll. (Taktfrequenz in diesem Fall ~48MHz).
>
> Klar ergibt Sinn. Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer
> Resonanzfrequenz von 200MHz. Meist eher faktor 10 kleiner.
>
> Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung? Da wird man doch noch keine
> Low-ESL Kondensatoren oder mehrere parallel benötigen. Oder doch?
>
> Eine Aufklärung wäre echt toll.



Die MCU-Hersteller sagen aber auch meistens in begleitenden Papers wie 
das Abblock-Konzept aussehen soll. Und wenn die das nicht dazuschreiben 
und solch seltsame Forderungen stellen - Mail an die und nach den Typen 
fragen, die sie vorschlagen.... meistens stellt sich dann heraus das es 
nicht 100n sondern 10n/100n sind, das dann die Bauform nur mehr 0402 
oder kleiner ist (und damit die Kapazität auch bei 1V8 oder 2V5 
mitnichten 100n beträgt), das nicht 0402 sondern 0204 oder 0306 statt 
0603 verwendet wurden etc etc....

Und dann lese auch die ANs von FPGA-Herstellern, da gibts einiges das 
zB. von Xilinx recht brauchbar ist....

MiWi
MiWi

von Falk B. (falk)


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@ Danish B. (danishbelal)

>ich habe heute gesehen, dass die meisten Abblockkondensatoren (0805,
>~100nF) eine Grenzfrequenz von ca. 20-30MHz aufweisen.

Nö. Das ist bestenfalls die Resonanzfrequenz, bei welcher der 
Kondensator die minimale Impedanz hat. Bei höheren Frequenzen wirkt er 
zwar leicht induktiv, ist in Summe aber immer noch recht niederohmig und 
damit wirksam.

>In den Datenblättern von einigen MCU's steht allerdings drin, dass ein
>Ablockkondensator von ~100nF mit einer Grenzfrequenz von min. 200MHz
>genutzt werden soll. (Taktfrequenz in diesem Fall ~48MHz).

Wo denn?

>Klar ergibt Sinn. Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer
>Resonanzfrequenz von 200MHz. Meist eher faktor 10 kleiner.

Weil die Aussage Unsinn ist.

>Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung?

Unsinn^2.

> Da wird man doch noch keine
>Low-ESL Kondensatoren oder mehrere parallel benötigen. Oder doch?

Quark.

>Eine Aufklärung wäre echt toll.

Stromversorgung für FPGAs

von bom (Gast)


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100nF bis 40GHz: http://www.farnell.com/datasheets/2238759.pdf
Leider nicht mehr im Programm.

von Danish B. (danishbelal)


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Falk B. schrieb:
> Wo denn?

Siehe Anhang.

Oder hier auf Seite 13:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001943A.pdf

>>Klar ergibt Sinn. Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer
>>Resonanzfrequenz von 200MHz. Meist eher faktor 10 kleiner.
>
> Weil die Aussage Unsinn ist.
>
>>Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung?
>
> Unsinn^2.

:)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Danish B. schrieb:
> Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer Resonanzfrequenz von 200MHz.
> Meist eher faktor 10 kleiner.
Weil diese "Grenzfrequenz" von den parasitären Induktivitäten der 
Anschlüsse und "Kondensatorplatten" kommt, musst du einfach nur eine 
kleinere Bauform nehmen.

> Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer Resonanzfrequenz von 200MHz.
Das Wort "Grenzfrequenz" ist hier auch etwas ungünstig. Du solltest nach 
"mlcc impedance" suchen. Da findest du dann die ganzen Untersuchungen.

> Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung?
Ja, dan könnte man naiv annehmen, wenn man von CPU-Frequenzen im GHz 
Gereich hört und diese Frequenzen nicht hinterfragt.

Danish B. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Wo denn?
> Siehe Anhang.
Ich sehe da nichts von einer "Grenzfrequenz", sondern lediglich die 
bekannte Resonanzfrequenz. Das sind aber 2 Paar Stiefel.
Und jetzt wäre es mal interessant, zu sehen, was Microchip dann auf 
seinen eigenen EVAL-Boards verbaut...

: Bearbeitet durch Moderator
von Danish B. (danishbelal)


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Lothar M. schrieb:
> Danish B. schrieb:
>> Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer Resonanzfrequenz von 200MHz.
>> Meist eher faktor 10 kleiner.
> Weil diese "Grenzfrequenz" von den parasitären Induktivitäten der
> Anschlüsse und "Kondensatorplatten" kommt, musst du einfach nur eine
> kleinere Bauform nehmen.

Die sind zwar besser, aber immer noch nicht bei 200MHz
>> Aber ich finde keine 100nF MLCC mit einer Resonanzfrequenz von 200MHz.
> Das Wort "Grenzfrequenz" ist hier auch etwas ungünstig. Du solltest nach
> "mlcc impedance" suchen. Da findest du dann die ganzen Untersuchungen.

Danke, gutes Stichwort!
>> Und 48MHz sind doch quasi Gleichspannung?
> Ja, dan könnte man naiv annehmen, wenn man von CPU-Frequenzen im GHz
> Gereich hört und diese Frequenzen nicht hinterfragt.

Ja genau :(

> Danish B. schrieb:
>> Falk B. schrieb:
>>> Wo denn?
>> Siehe Anhang.
> Ich sehe da nichts von einer "Grenzfrequenz", sondern lediglich die
> bekannte Resonanzfrequenz. Das sind aber 2 Paar Stiefel.
Ich habe das verwechselt. Ich meinte in beiden Fällen die 
Resonanzfrequenz.

von Danish B. (danishbelal)


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Lothar M. schrieb:
> Und jetzt wäre es mal interessant, zu sehen, was Microchip dann auf
> seinen eigenen EVAL-Boards verbaut...

Laut Stromlaufplan:

Auf dem "Curiosity High Pin Count (HPC) Development Board" für 8bitter:
1µF und 100nF parallel.

Auf dem "PIC32MZ Embedded Connectivity with FPU (EF) Starter Kit" für 
32bitter:
10nF und 100nF parallel.


http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Curiosity-High-Pin-Count-Dev-Board-User-Guide-40001856A.pdf

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70005230B.pdf

Ich werde wahrscheinlich auch 10nF und 100nF parallel schalten. Aber 
davor steht noch einiges an Recherche an.

von HildeK (Gast)


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Ggf. kann man hier mal Impedanz- und ESR-Verläufe von Kemet-Cs 
anschauen:
http://ksim.kemet.com/Default.aspx

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Danish B. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Wo denn?
>
> Siehe Anhang.

Da steht nirgendwo "Grenzfrequenz"

Wie Falk schon sagte, sind Grenzfrequenz und Resonanzfrequenz zwei 
(sehr) verschiedene Paar Schuhe. Es gibt auch keinen triftigen Grund für 
eine derartige Forderung. Enscheidend ist die absolute Größe des ESR bei 
der Arbeitsfrequenz, aber nicht bei welcher Frequenz er sein Minimum 
hat.

Bedenke auch, daß jedes Stück Leiterzug, Anschlußbeinchen und auch 
Bonddraht eine parasitäre Induktivität hat. Man rechnet überschlägig mit 
1nH pro mm. Ein Schwingkreis aus 1mm Leitung und einem idealen 100nF 
Kondensator kommt dann schon auf nur noch 16MHz Resonanzfrequenz.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Danish B. schrieb:
> Laut Stromlaufplan
Schade, dass da keine BOM dabei ist. Denn dann hätte man mal nachsehen 
können, wie der Impedanzverlauf dieser Kondensatoren aussieht.

von Falk B. (falk)


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@Danish B. (danishbelal)

>    uc-bypass.png

Jaja, schöner Unsinn, vermutlich von einem Praktikanten oder 
"Wirtschaftsingenieur" oder "Produktmanager" geschrieben. Es gibt keine 
100nF Kondensatoren mit derartig hohen Resonanzfrequenzen. Rechne mal 
die parasitären Induktivitäten aus, die dafür nötig wären.

von Falk B. (falk)


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@ Danish B. (danishbelal)

>Auf dem "Curiosity High Pin Count (HPC) Development Board" für 8bitter:
>1µF und 100nF parallel.

Naja, die hochkapazitiven MLCC sind halt seit einiger Zeit in Mode. 
Funktionieren im Prinzip auch gut.

>Auf dem "PIC32MZ Embedded Connectivity with FPU (EF) Starter Kit" für
>32bitter:
>10nF und 100nF parallel.

Ist meist Unsinn. Bei 0603 oder kleiner bringen 10nF keinen Vorteil 
mehr.
Viel wichtiger ist die nierderimpedante Anbindung an den IC bzw. die 
VCC/GND Lagen.

von Danish B. (danishbelal)


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Falk B. schrieb:
> @Danish B. (danishbelal)
>
>>    uc-bypass.png
>
> Jaja, schöner Unsinn, vermutlich von einem Praktikanten oder
> "Wirtschaftsingenieur" oder "Produktmanager" geschrieben. Es gibt keine
> 100nF Kondensatoren mit derartig hohen Resonanzfrequenzen. Rechne mal
> die parasitären Induktivitäten aus, die dafür nötig wären.

Ich komme auf 1/(4*Pi^2* [200MHz]^2 * 100nF) = 6,3fH (Femto-Henry).

Mit den o.g. 1nH/mm wäre das eine maximale Leiterlänge von 6,3µm.
Und das auch nur bei idealem Kondensator.



Falk B. schrieb:
> Ist meist Unsinn. Bei 0603 oder kleiner bringen 10nF keinen Vorteil
> mehr.
> Viel wichtiger ist die nierderimpedante Anbindung an den IC bzw. die
> VCC/GND Lagen.

Sind die 0603er 100nF aufgrund Ihrer kleinen Größe bereits so 
nieder-induktiv, dass  die 10nF auch nicht mehr viel bewirken?

von Klaus R. (klara)


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Danish B. schrieb:
> Sind die 0603er 100nF aufgrund Ihrer kleinen Größe bereits so
> nieder-induktiv, dass  die 10nF auch nicht mehr viel bewirken?

Murata bietet eine gute Seite an. Da kannst Du Dir die Parameter alle 
anschauen und vergleichen. Man staunt da manchmal. Nicht nur das 
Dielektrikum ist wichtig, auch die Abmessungen von Kerkos wirken sich 
auf die Spannungsabhängigkeit der Kapazität aus. Aber schau mal selber.

http://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us

mfg klaus

von Falk B. (falk)


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@ Danish B. (danishbelal)

>Sind die 0603er 100nF aufgrund Ihrer kleinen Größe bereits so
>nieder-induktiv, dass  die 10nF auch nicht mehr viel bewirken?

Meistens ja. Wie gesagt, es gibt ja seit Jahren den Trend, die 
Entkopplung nicht mit vielen 100nF sondern gleich mit eher wenigen 
hochkapazitiven MLCCs zu machen, z.B. X x 1uF.

von MiWi (Gast)


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Falk B. schrieb:
> @ Danish B. (danishbelal)
>
>>Sind die 0603er 100nF aufgrund Ihrer kleinen Größe bereits so
>>nieder-induktiv, dass  die 10nF auch nicht mehr viel bewirken?
>
> Meistens ja. Wie gesagt, es gibt ja seit Jahren den Trend, die
> Entkopplung nicht mit vielen 100nF sondern gleich mit eher wenigen
> hochkapazitiven MLCCs zu machen, z.B. X x 1uF.

die, wenn man nicht 50V-Typen nimmt - dann bei der Betriebsspannug auch 
nur mehr 100nF haben...

von T Rroll (Gast)


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> .. z.B. X x 1uF.

Reden wir von Gate Treibern ?
Nachdem man sich von Steckbrett und Streifenleiter geloest hat kommt die 
Leiterplatte als Kapazitaet ins Spiel. Fuer erhoehte Anforderungen, 
schnelle Controller, FPGA, draengen sich Multilayer nicht nur wegen der 
vielen Anschluesse auf, sondern speziell auch fuer die Entkopplung. Wenn 
jeder Speiseanschluss eines FPGA entkoppelt werden soll, hat man die 
Rueckseite hinter dem FPGA schnell mit Caps gefuellt. Den Rest macht man 
mit der Lagenkapazitaet des Multilayers.

von Falk B. (falk)


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@ MiWi (Gast)

>> Meistens ja. Wie gesagt, es gibt ja seit Jahren den Trend, die
>> Entkopplung nicht mit vielen 100nF sondern gleich mit eher wenigen
>> hochkapazitiven MLCCs zu machen, z.B. X x 1uF.

>die, wenn man nicht 50V-Typen nimmt - dann bei der Betriebsspannug auch
>nur mehr 100nF haben...

Ketzer! ;-)

Naja, wenn man gescheite 6V Typen sucht und findet, haben die bei 3,3V 
noch um die 50-70% ihrer Nennkapazität.

von Falk B. (falk)


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@T Rroll (Gast)

>> .. z.B. X x 1uF.

>Reden wir von Gate Treibern ?

Nö, mehr oder minder normalen Digital-ICs in Form von Mikrocontrollern, 
FPGAs, DPSs etc.

>Nachdem man sich von Steckbrett und Streifenleiter geloest hat kommt die
>Leiterplatte als Kapazitaet ins Spiel.

Jaja, aber das ist ein anderes Thema und ein GANZ anderer 
Frequenzbereich.

>jeder Speiseanschluss eines FPGA entkoppelt werden soll, hat man die
>Rueckseite hinter dem FPGA schnell mit Caps gefuellt. Den Rest macht man
>mit der Lagenkapazitaet des Multilayers.

Das ist eher ein Glaube als Wissen. Das haben wir aber schon mehrfach 
ausgiebig diskutiert.

von Gerhard O. (gerhard_)


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Man sollte sich wegen der SRF der Abblock Cs nicht unbedingt in die Hose 
machen:-)

Da spielen so viele parasitäre Einflüsse mit, daß die reinen C 
Eigenschaften gar nicht mehr alleine zur Geltung kommen. Auch die 
inneren IC parasitären Bonding Anschlüße darf man nicht ignorieren.

Es ist kein Zufall, daß viele schnellere uC und FPGAs eine Unmengen an 
Vdd und Vss Pinpaare haben. Zusammen mit einer Multilayer PCb mit 
solider Groundplane und Vdd Plane hat man schon mal eine solide 
Ausgangsbasis. Am besten ist es die vorgeschriebenen Cs ganze nahe an 
diesen Pinpaaren zu plazieren, so daß sich minimale Entfernungen der Vdd 
und Vss Anschlüsse ergeben. Wenn man sich nun an die Ratschläge im 
Datenblatt bzgl. Bauteilwahl hält geht in der Realpraxis kaum jemals was 
schief. Man sollte auch immer bedenken, daß parallel schalten von Cs 
generell die Aggregat SRF durch Halbierung der Bauteil Induktivität 
erhöht.

Bei zweilagigen LP kann man bestenfalls die Cs so nahe wie möglich an 
den Pinpaaren anordnen und für eine vernünftige Massefläche sorgen. Wird 
am Ende nicht ganz so gut wie bei einer mehrlagigen LP sein, führt aber 
kaum jemals zum Versagen.

Gut, ich beschäftige mich in der Regel mit nichts schnellerem als z.B 
ein ST32F4xx. Wenn ich dort bei meinen Aufbauten die Flanken der 
Schaltsignale mit einem 400Mhz Oszi untersuche sind die Flanken 
Bilderbuch artig gut mit minimalen Aberationen. Damit kann man
leben.

Wer keinen Breitband Oszi mit guten Tastköpfen hat und sich mit 
High-Speed Meßtechnik noch nicht richtig auskennt, braucht sich da gar 
nicht zu sehr echauffieren weil die Realität sowieso nicht einmal 
annähernd erfaßt werden kann. Um Flankensignale realitätsnah erfassen zu 
können müssen die Messpunkte schon beim Design in der LP impedanzgerecht 
mit mikrowellen gerechten Koaxanschlüssen vorgeplant werden um 
Signalverzerrungen durch Impedanz Änderungen und parasitäre Effekte zu 
minimalisieren. Oft helfen auch kleine Serienwiderstände Reflektionen zu 
vermindern und für bessere Signalflanken zu sorgen. Jegliche 
Imperfektion der Tastkopfanschlüsse führt zu geschädigter 
Messungserfassung. Signal und Meß Verarbeitung muß Bandbreiten gerecht 
realisiert werden. Das alleinige Vorhandensein eines High Speed Oszis 
garantiert überhaupt nichts. Man muß da schon im Rahmen der 
Mikrowellentechnik denken und keine Vereinfachungen machen die das 
mögliche Meßergebnis verfälschen kann. Source und Load müssen bei High 
Speed immer Impedanz gerecht behandelt werden. 10Mohm Tastköpfe sind da 
fehl am Platz und es müssen die dazugehörenden Tastköpfe fachgerecht 
verbunden werden. Sehr oft sieht man Dinge die auch ein guter Oszi wegen 
schlechter Meßerfassung nur vorgaukelt. Schlechte Masseverbinungen gibt 
es leider auch zu oft.

Viele moderne High Speed differenzial Verbindungen wie MSATA, PCIExpress 
u.ä. lassen sich nur schwer und teuer meßtechnisch richtig erfassen.

Ein ausreichend schneller TDR (Time Domain Reflectometer) mit Risetime 
im <50ps Bereich ist auch sehr nützlich um die Design Sünden ans Licht 
zu bringen und lokalisiert Problemstellen distanzmäßig. Man kann 
unheimlich viel mit dieser Meßmethode lernen.

Deshalb genügt es am Ende sich meist sich an die Angaben im DABLA und 
App Notes zu halten um ausreichend funktionierende Schaltungen zu 
bekommen.

Ich hatte diesbezüglich in meinen Schaltungen noch nie Versager.

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