Este artículo analiza la conmutación del inversor CMOS y muestra el impacto de un condensador de desacoplamiento en la integridad de la señal del riel de alimentación y las emisiones radiadas.Comencemos nuestra discusión con una puerta lógica de inversor CMOS en una configuración de tótem, que se muestra en la Figura 1 [1].Figura 1: Puerta lógica del inversor CMOSEn los circuitos digitales de alta velocidad, a menudo se encuentra la configuración CMOS en cascada que se muestra en la Figura 2a.En la Figura 2b se muestra un modelo simplificado de esta configuración.Figura 2: a) Configuración de CMOS en cascada, b) modelo simplificadoInvestiguemos el funcionamiento de esta configuración en la transición de baja a alta y de alta a baja de la entrada al primer inversor.Primero, suponga que los capacitores de carga CGP y CGN están inicialmente descargados.Cuando la señal de entrada IN = Low, el transistor superior está ON y el inferior está OFF.La corriente fluye a través del transistor superior, la traza de la señal y el capacitor CGN a tierra.Esto se muestra en la Figura 3a.Eventualmente, el capacitor CGN se carga a (aproximadamente) VCC y el flujo de corriente se detiene, como se muestra en la Figura 3b.Figura 3: a) La señal de entrada es baja, b) El flujo de corriente se detiene cuando CGN se carga a VCCAhora, el inversor del controlador pasa de bajo a alto.Posteriormente, el transistor superior se apaga y el transistor inferior se enciende, como se muestra en la Figura 4a.En este punto tenemos dos fuentes de corriente:Luego, la corriente fluye a lo largo de la pista hacia el controlador y, a través del transistor inferior, a tierra.Eventualmente, el flujo de corriente se detiene y el voltaje a través del capacitor CGP es VCC.Esto se muestra en la Figura 4b.Figura 4: a) Transición de bajo a alto, b) El flujo de corriente se detiene cuando CGP se carga a VCCAhora, el inversor del controlador pasa de alto a bajo.Posteriormente, el transistor superior se enciende y el transistor inferior se apaga, como se muestra en la Figura 5.En este punto tenemos dos fuentes de corriente:Ahora dirijamos nuestra atención a un escenario típico en circuitos lógicos digitales con un controlador CMOS de fuente de voltaje de CC y un IC de carga, como se muestra en la Figura 6.Figura 6: transistores CMOS en un circuito lógico de alta velocidadCuando una puerta CMOS cambia, se extrae un transitorio de corriente del sistema de distribución de energía (PDN).Esta corriente fluye desde la fuente a la carga a lo largo de la ruta de avance, es decir, las trazas de energía y de regreso a la fuente a través de la ruta de retorno, es decir, las trazas de tierra.Esta corriente variable en el tiempo crea un flujo magnético variable en el tiempo que cruza el área del bucle del circuito, lo que induce una caída de voltaje a lo largo de las pistas.Podemos modelar este fenómeno insertando una fuente de voltaje en algún lugar del lazo o insertando una inductancia en algún lugar del lazo.Tanto el voltaje inducido como la inductancia se distribuyen a lo largo del bucle.Cuando el bucle es eléctricamente pequeño a las frecuencias consideradas, podemos modelar estos efectos distribuidos como fuentes concentradas o inductancias.En cualquier circuito práctico, las rutas de ida y vuelta (líneas horizontales en la Figura 9) son órdenes de magnitud más largas que la longitud de una ruta entre los pines de alimentación y tierra (líneas verticales en la Figura 9). parámetros solo en las rutas de avance y retorno. Para modelar el efecto inducido por flujo, insertaremos inductancias a lo largo de las trazas de potencia y tierra. Esto se muestra en la Figura 7.Figura 7: Área de bucle de corriente e inductancias parcialesEste modelo se aplica a frecuencias más bajas donde las inductancias parciales de las trazas de alimentación y tierra que conectan los propios circuitos integrados pueden despreciarse.A frecuencias más altas, aumentaríamos el modelo con inductancias parciales y parásitas adicionales entre los circuitos integrados y dentro de los propios circuitos integrados (consulte [2] para obtener más detalles).Cuando el controlador IC cambia, la corriente se extrae de la fuente, lo que da como resultado los voltajes VP y VG en las inductancias de alimentación y tierra.A menudo nos referimos a estos voltajes como un colapso del riel de alimentación y un rebote a tierra, respectivamente.Durante el tiempo de apagado (condición de CC), las inductancias actúan como cortocircuitos y el voltaje VIC entre los pines de alimentación y tierra del controlador IC es igual al voltaje de la fuente VS.Durante el tiempo de conmutación, el voltaje VIC ya no es igual al voltaje de la fuente VS, lo que podría causar problemas de integridad de la señal.Este voltaje ahora es igualAdemás, la corriente transitoria fluye en un bucle grande creando una antena de bucle eficiente.Ahora, coloquemos un capacitor entre los pines de alimentación y tierra cerca del circuito integrado de conmutación, como se muestra en la Figura 8.Figura 8: Condensador de desacoplamiento colocado cerca del circuito integrado de conmutaciónDurante el tiempo de apagado, este capacitor se carga al voltaje de la fuente VS.Durante el tiempo de conmutación, este capacitor idealmente suministra la corriente total requerida a la carga, como se muestra en la Figura 8.En realidad, suministra la mayor parte de la corriente a la carga, lo que reduce el consumo de corriente de la fuente y, en consecuencia, reduce las caídas de tensión en las inductancias.Suponiendo el escenario ideal, la corriente transitoria fluye ahora en un bucle más pequeño, como se muestra en la Figura 9. Esto, a su vez, reduce las emisiones radiadas.Figura 9: Área de bucle de corriente con un condensador de desacoplamientoLa configuración de medición se muestra en la Figura 10.El esquema del circuito se muestra en la Figura 11, mientras que los detalles de la placa se muestran en la Figura 12.La placa se diseñó a propósito con trazas muy largas para mostrar el impacto negativo de la inductancia asociada, mientras que al mismo tiempo aumenta el impacto de un condensador de desacoplamiento.La Figura 13 muestra la medición de voltaje en el pin VCC del inversor sin capacitores de desacoplamiento.Figura 13: Voltaje en el pin VCC en el inversor, sin tapas de desacoplamientoObserve las fluctuaciones de voltaje de pico a pico de 1,58 V. La Figura 14 muestra la medición de voltaje en el pin VCC del inversor con los capacitores de desacoplamiento.Figura 14: Tensión en el pin VCC del inversor con tapas de desacoplamientoNote la dramática disminución en las fluctuaciones de voltaje de 1.52 V a 232 mV.Finalmente, la Figura 15 muestra las medidas de radiación con y sin los condensadores de desacoplamiento.El Dr. Bogdan Adamczyk es profesor y director del Centro de EMC en la Universidad Estatal de Grand Valley (http://www.gvsu.edu/emccenter), donde desarrolla material educativo de EMC e imparte cursos de certificación de EMC para la industria.Es un ingeniero de diseño maestro de EMC certificado por iNARTE.El Prof. Adamczyk es el autor del libro de texto "Fundamentos de compatibilidad electromagnética con aplicaciones prácticas" (Wiley, 2017).Puede comunicarse con él en adamczyb@gvsu.edu.El Dr. Bogdan Adamczyk es profesor y director del Centro de EMC en la Universidad Estatal de Grand Valley (http://www.gvsu.edu/emccenter/) donde imparte regularmente cursos de certificación de EMC para la industria.Es un ingeniero de diseño maestro de EMC certificado por iNARTE.El Prof. Adamczyk es el autor del libro de texto "Fundamentos de compatibilidad electromagnética con aplicaciones prácticas" (Wiley, 2017) y del próximo libro de texto "Principios de compatibilidad electromagnética con ejercicios de laboratorio" (Wiley 2022).Hola, revisé tu presentación, me gustó, pero tengo una pregunta.¿Cuál debería ser el valor del inductor y el condensador que necesitamos usar?¿En simple cómo se eligen sus valores?Su dirección de correo electrónico no será publicada.Guarde mi nombre, correo electrónico y sitio web en este navegador para la próxima vez que comente.In Compliance es una fuente líder de noticias, información, educación e inspiración para los profesionales de la ingeniería eléctrica y electrónica.Aeroespacial Automoción Comunicaciones Electrónica de consumo Educación Energía y potencia Industrial Tecnología de la información Medicina Militar y defensa