Abblockkondensator und Entkopplung

Ein Schieberegister schaltet acht LEDs, und ab und zu springt ein Mikrocontroller auf derselben Platine in den Reset. Ein Bustreiber liefert sporadisch falsche Bits, obwohl jedes Signal für sich sauber aussieht. Die Ursache ist in solchen Fällen oft dieselbe: Die ICs ziehen ihren Strom in Spitzen von wenigen Nanosekunden, und die Versorgungsleitung kann so schnell nicht nachliefern. Die Spannung am Pin bricht kurz ein.

Dagegen hilft der Abblockkondensator, auch Entkopplungs- oder Stützkondensator genannt: ein kleiner Kondensator direkt zwischen Versorgungs- und Massepin jedes ICs. Er ist das häufigste Bauteil auf fast jeder Platine – und das am häufigsten falsch platzierte.

Schaltplan

• C1 und C2, je 100 nF: MLCC mit X7R-Dielektrikum, Bauform 0603 oder 0402. Jeder sitzt direkt am VCC-Pin „seines“ ICs und liefert die Stromspitzen beim Schalten.
• C3, 10 μF: ebenfalls ein Keramikkondensator, am Eingang der Versorgung. Er überbrückt die Zeit, bis der Spannungsregler auf eine Laständerung reagiert.
• IC1, 74HC245, und IC2, 74HC595: zwei Logik-ICs der HC-Familie, der eine treibt einen 8-Bit-Bus, der andere acht LEDs.

So funktioniert die Schaltung

Beim Umschalten lädt ein CMOS-Ausgang die Kapazität der angeschlossenen Leitung um. Dazu kommt der Querstrom, der kurz durch beide Ausgangstransistoren fließt. Beides passiert in wenigen Nanosekunden. Der Strom muss aus der Versorgung kommen – über die Leiterbahn vom Regler.

Diese Leiterbahn hat eine Induktivität, grob 1 nH pro Millimeter, wenn keine Massefläche darunter liegt. Für langsame Ströme ist das nichts. Bei schnellen Stromänderungen fällt an ihr aber die Spannung U = L · ΔI / Δt ab, wie an jeder Spule (siehe Induktion). Der Regler mag 5,00 V halten – am Pin des ICs kommt in diesem Moment weniger an, und an seinem Massepin hebt sich das Potenzial an. Dieser Effekt heißt Ground Bounce.

Der Abblockkondensator ist ein lokaler Vorrat. Er liegt so nah am IC, dass zwischen ihm und den Pins kaum Induktivität bleibt. Die Ladung für die Spitze kommt aus ihm; die Versorgung füllt ihn danach in Ruhe wieder auf. Für Frequenzen betrachtet: Der Kondensator macht die Impedanz der Versorgung am Pin klein – bis zu den Frequenzen, die in den Schaltflanken stecken.

Ein realer Kondensator ist dabei keine reine Kapazität. In Reihe liegen sein Anschlusswiderstand (ESR) und die Induktivität von Gehäuse, Leiterbahnen und Vias (ESL). Unterhalb seiner Eigenresonanz wirkt er wie ein Kondensator, darüber wie eine Spule. Der Wert in Farad ist bei hohen Frequenzen deshalb fast egal – die Anbindung zählt.

Dimensionierung

Die Aufgabe: Der 74HC245 schaltet alle acht Busleitungen gleichzeitig. Jede Leitung hat mit Eingängen und Leiterbahn 50 pF, die Flanke dauert 5 ns, die Versorgung beträgt 5 V. Die Versorgung am IC soll um höchstens 0,25 V (5 %) einbrechen.

1. Ladung und Strom. Pro Umschaltvorgang müssen die acht Leitungen geladen werden:

0,4 A Spitzenstrom aus einem Baustein, der im Mittel vielleicht 1 mA braucht.

2. Mindestkapazität.

Mit 100 nF bricht die Spannung nur um 2 nC / 100 nF = 20 mV ein. Das ist die Reserve, die den Standardwert 100 nF erklärt.

3. Erlaubte Induktivität. Der Strom steigt in etwa der halben Flankenzeit auf 0,4 A, also mit 0,4 A / 2,5 ns = 0,16 A/ns. Damit am Pin höchstens 0,25 V abfallen:

Das ist die ganze Schleife: Kondensatorgehäuse, Pads, Leiterbahnen und Vias. Ein 0603-Kondensator direkt am Pin mit Via zur Massefläche kommt auf etwa 1 nH. Hängt er 10 mm entfernt, sind es eher 9 nH – und der Einbruch wächst auf 9 nH · 0,16 A/ns ≈ 1,4 V.

4. Zielimpedanz. Dasselbe als Frequenzbetrachtung: Die Impedanz am Pin darf höchstens Z = ΔU / ΔI = 0,25 V / 0,4 A ≈ 0,6 Ω betragen, und zwar bis zur Frequenz, die in der Flanke steckt, etwa 0,35 / t_r = 70 MHz.

Bauteilliste

Platzierung auf der Platine

• Reihenfolge: Die Versorgung läuft vom Regler erst zum Kondensator und dann zum Pin, nicht an ihm vorbei.
• Massefläche: Ein Via direkt neben dem Masse-Pad des Kondensators führt auf eine durchgehende Massefläche. Zwei Vias halbieren die Induktivität fast.
• Ein Kondensator je Versorgungspin: Hat ein Mikrocontroller vier VCC-Pins, bekommt jeder seinen eigenen 100-nF-Kondensator. Bei der Minimalbeschaltung eines Mikrocontrollers gehört auch AVCC dazu.
• Kleine Bauform: 0402 hat weniger ESL als 1206. Durchsteckkondensatoren mit langen Beinen sind auf dem Steckbrett tolerierbar, auf der Platine nicht.

Varianten

Mehrere Werte parallel. Für schnelle Prozessoren und FPGAs kombiniert man 10 μF, 1 μF und 100 nF, damit die Impedanz über einen großen Frequenzbereich klein bleibt. Achtung: Zwischen den Resonanzen zweier Werte kann eine Parallelresonanz mit erhöhter Impedanz entstehen. Gleiche Werte mehrfach sind oft besser als eine bunte Mischung.

Mit Ferritperle. Empfindliche Analogpins wie AVCC trennst du mit einer Ferritperle oder einer kleinen Spule von der Digitalversorgung ab. Das ist ein kleines LC- und Pi-Filter.

Elko als Puffer. Am Eingang einer Platine mit Motor oder langen Zuleitungen ersetzt oder ergänzt ein Aluminium-Elko mit 47 bis 470 μF den 10-μF-Keramikkondensator. Sein ESR dämpft zugleich Resonanzen der Zuleitung.

Schieberegister mit LEDs. Wie der 74HC595 im Detail verdrahtet wird, steht unter Ausgänge erweitern mit 74HC595.

Typische Fehler

• Kondensator weit weg: Er liegt hübsch in einer Reihe am Platinenrand statt am Pin. Das sieht ordentlich aus und hilft kaum.
• Masse über Umwege: Der Kondensator hängt am VCC-Pin, sein Masseanschluss erreicht den GND-Pin aber erst über eine lange Leiterbahn um das IC herum. Die Schleife zählt, nicht nur die Plusseite.
• Y5V statt X7R: Ein 100-nF-Kondensator mit Y5V-Dielektrikum hat bei 5 V und 0 °C oft weniger als 30 nF. Für Entkopplung nimmst du X7R oder X5R (Kondensator-Auswahl).
• Nur ein großer Elko: 470 μF am Eingang ersetzen keinen 100-nF-Kondensator am IC. Der Elko hat zu viel ESL und sitzt zu weit weg.
• Fehlersuche: Miss mit dem Oszilloskop direkt zwischen VCC- und GND-Pin, mit der kurzen Massefeder statt der langen Krokodilklemme. Nadeln von mehreren hundert Millivolt bei jedem Schalten zeigen fehlende oder schlecht angebundene Kondensatoren.

Selbsttest