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커패시터 노이즈 제거 원리 : 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor), 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)
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- Most searched keywords: Whether you are looking for 전자 쟁이의 이런 저런 지식 세상 :: [전자] 바이패스 캐피시터….Bypass Capacitor 여튼 이런 회로에 바이패스 캐패시터는 물탱크 마냥 전류를 일정양 만큼 충전하고 이 충전된 전기를 빼서 공급함으로서 입력에 대한 안정을 가져오게 한다 … 바이패스 캐패시터라 함은 쉽게 말해서 전원에 리플을 제거해 주는 캐패시터를 말한다. 책이나 강의 뭐 이런 것들에서 말하는 것들은 대부분 저렇게 바이패스 캡에 대해 기능적인 이야기를 한다. 이게 그렇..
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커패시터 노이즈 제거 원리 : 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor), 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)
안녕하세요, 공대놀이터 입니다.
오늘은 커패시터 노이즈 제거 원리에 대해 정리하고자 합니다. 방식은 크게 두 종류로 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)와 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)가 있습니다. 이를 각각 ‘바이패스 캡’, ‘디캡’이라고도 간단히 부릅니다. 제가 회사에서 Project Module Schematic을 보면 Power module과 Modem 역할을 하는 Module에 들어가는 DC 전원에 캡이 GND에 병렬로 연결되어 있는 것을 자주 보게 됩니다. 여기서 DC 전원단에 붙은 병렬 캡을 우리는 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)라고 합니다.
이 녀석들의 역할은 위 그림처럼 노이즈 성분(AC)을 바이패스 커패시터를 통해 GND로 제거함으로써 DC Stabilization을 이루기 위해 사용합니다. 전원단에는 DC 성분 이외에도 전원단 자체에서 발생하는 노이즈, 기타 노이즈 등에 의해 AC성분이 발생하게 되고 이것이 모듈로 들어가면 발진을 일으켜서 문제가 됩니다. AC성분은 주파수 성분을 가지고 있기 때문에 Zc = 1 / jwC 이므로 주파수가 높아질수록 커패시터의 임피던스는 감소하는 것을 알 수 있습니다. 이러한 원리로 AC성분은 모듈이 아닌 바이패스 커패시터로 흘러 GND로 제거됩니다. 보통 전원단에서 발생하는 노이즈는 매우 낮은 주파수에서 발생하기 때문에 uF 단위의 큰 용량의 탄탈 커패시터류를 사용하게 됩니다. 스위칭 모듈에 들어가는 전원단의 경우, RC delay 현상으로 인해 커패시턴스와 RC값 간에 Trade-off가 필요한 경우도 있습니다.
좀 더 자세히 들어가면 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)이 있습니다. 디캡과 바이패스 캡은 거의 같은 녀석이라고 보시면 됩니다. 디캡은 바이패스 캡을 여러개 병렬로 달아서 노이즈를 제거하는 방식입니다. 예를 들어, 서로 다른 용량을 가진 바이패스 커패시터를 병렬로 달아주면 위 그림처럼 광범위하게 임피던스를 낮춰서 AC 성분을 제거할 수 있습니다.
반면, 특정 주파수 대역에 있는 노이즈만 완벽히 제거하고 싶다면 같은 용량의 바이패스 커패시터를 병렬로 달아주면 됩니다. 특성은 위 그래프와 같이 특정 주파수에서 AC 성분을 깔끔하게 제거할 수 있습니다.
여기까지 커패시터 노이즈 제거 원리 : 바이패스 커패시터(Bypass Capacitor)와 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)에 대해 정리하였습니다. 피드백 환영합니다.
참조:www.rhdh.com
바이패스 캐패시터(Bypass capacitor) 전원노이즈
바이패스 캐패시터 (Bypass capacitor)
병렬 캐패시터 (shunt capacitor)는 전자회로에서 매우 광범위하게 사용됩니다. 특히 전원단의 잡음을 제거하기 위해 전원과 함께 늘 병렬로 캐패시터나 콘덴서가 달리는 경우가 많지요.
캐패시터는 DC는 통과하지 못하고 주파수를 가진 신호만 통과하게 됩니다. 그리고 캐패시턴스 값이 클수록 더욱 낮은 주파수의 AC(RF)신호를 통과시킵니다. 그러므로 병렬로 달린 캐패시터는, AC입장에서는 Ground로 바로 접지되어 버리는 short 선로처럼 동작합니다.
전원단에서는 깨끗한 직류전압만 나오는게 아니라, 자질구레한 저주파 신호까지 출력되는 경우도 많기 때문에 그러한 저주파 잡음을 잡아야 합니다. 그래서 전원단 출력 옆에 달린 병렬 캐패시터를 통해 저주파 AC신호는 접지되어 죽여 버리게 됩니다. 그리고 전원 잡음은 보통 매우 낮은 주파수에서 뜨는 경우가 많아서 캐패시턴스 값이 커야지 잡히게 됩니다. 그래서 전원단 잡음제거용 캐패시터는 uF단위의 큰 탄탈 캐패시터같은 것을 사용하게 되는 것입니다.
이런 저주파전원잡음 제거과정을 흔히 “DC를 잡는다”라는 표현을 많이 합니다. 깨끗하게 직선으로 나와야할 DC신호의 흔들림을 없애서 잡아준다는 의미이지요. 결국 다 같은 얘기를 하고 있는 것입니다.
그리고 이러한 저주파 잡음은 회로 내에서 저주파 발진이 유입된 것처럼 작용하며, 내부에서 발생된 저주파 발진과 함께 회로의 성능을 저하시키는 요소가 됩니다. 그래서 저주파 발진을 막기 위해서 DC를 잡아주듯이 바이어스 선로에 병렬로 바이패스 캐패시터를 박습니다. 바이패스(bypass)란 AC를 통과시켜서 접지시켜 버리겠다는 의미이지요.
DC 바이어스 선로에는 반드시 이러한 병렬 캐패시터가 적어도 하나이상 달리지 않으면 저주파 발진을 잡을 수가 없습니다. 보통 저주파를 잡기 위해 큰 값의 캐패시터와, 위험요소가 있는 특정 주파수만 잡기 위해 작은 값의 캐패시터 두가지가 함께 병용되는 경우가 많지요.
위의 그림에도 나와있지만, 인덕터 또는 λ/4 선로를 이용하여 RF(AC)신호가 DC 바이어스단으로 유입되어 loop를 돌면서 발진이 일어나지 않도록 막아줍니다. 하지만 완벽하지는 않아서 일부 주파수, 특히 극저주파 잡음성 발진은 쉽게 새어버립니다.
인덕터에 의한 AC 임피던스 공식 ( Z = 2 π f L ) 를 생각해보면 쉽게 이해할 수 있습니다. 인덕터로 RF를 막는 이유는, 위의 공식에 의거하여 높은 주파수에서는 인덕터가 큰 AC저항으로 보이기 때문입니다. 임피던스가 크니까 RF는 못 빠져나가지만, 낮은 저주파 신호입장에서는 AC저항값이 매우 낮아서 쉽게 새어 버릴 수 있는 것이지요. λ/4 선로의 경우는 그 λ의 주파수 이외는 막는 효과가 없으니 결국 다른 주파수는 줄줄 샐 수 있습니다.
그렇기 때문에 인덕터나 λ/4와 같은 RF choke 이후와 전원단 사이에 반드시 병렬 캐패시터가 있어야먄 저주파 발진을 잡을 수 있게 되는 것입니다. (이것을 low pass trap : 저주파함정 이라고도 합니다)
참조 : http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/baljin2.htm
Bypass Capacitor #1
** Introduction **
만약 엔지니어 일을 하신다면 아마 bypass capacitor란 말은 정말 많이 들어봤을 겁니다. 하지만, 사실 bypass capacitor가 노이즈를 없애는 용도라는 정도만 알고 있지, 실제로 어떤 이유로 사용을 하는지, 또 어떻게 값을 정하는지 등은 잘 모르는 사람이 많을 겁니다.
잘 아시겠지만, bypass capacitor은 거의 모든 전자기기내의 기판에 사용되고 있습니다. 많은 사람들이 bypass capacitor 값을 정할 때 정확히 사용값에 대한 cap 값을 정하기보다는 기존에 해왔던 값을 그대로 반복하고 사용합니다. (물론 high speed 환경의 회로를 꾸미는 분들에게는 simulation 및 value calculation이 필수겠지만요…^^;)
이번 글에서는 단순한 capacitor지만 회로에 미치는 영향에 대해 살펴보고, 간단한 정의와 함께 bypass capacitor의 활용에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
PCB 기판내에서의 decoupling loop를 설명하고, equivalent circuit, 유전체(dielectrics) 및 현재 사용중인 capacitor의 종류 등에 대해 설명할 것입니다. 그리고, 좀 더 세부적으로 decoupling을 위해 두가지 종류의 capacitor를 사용했을 때 발생할 수 있는 문제점에 대해 알아보고, 마지막으로 회로 최적화를 위한 capacitor 값을 결정하는 방법에 대해 알아보겠습니다.
** Definition of a bypass capacitor **
Bypass capacitor:
한 개 또는 여러 부품에 흐르는 교류성분을 흐르게 하기 위해 회로상에 배치된 capacitor를 의미함. 종종 AC/DC가 혼합된 신호에서 AC(noise성분)를 제거하고, DC의 경우 그대로 통과(bypass) 할 수 있도록 하는 부품을 의미함. Bypass capacitor는 전원 라인 등에서 존재하는 순간적인 voltage spike에서 발생할 수 있는 전하들을 흡수하여 저장, 방전하는 역할을 한다. Low impedance를 가지며, 기기의 switching 출력에 의해 발생하는 노이즈를 최소화하는 데 그 역할이 있다. 다음은 우리가 혼용해서 쓰는 두 용어에 대해 간단히 설명을 드리겠습니다.
– Decoupling: 회로기기의 정상적인 동작을 위해 system과 회로간의 coupling을 막아주기 위한 방법.
여기서 coupling이란 인접 선로끼리 서로 방출된 신호에너지가 상대방 선로에 간접 또는 직접적으로 유입되는 현상이 발생하는데, 이것을 보통 Coupling이라고 합니다. 이런 coupling을 막는 방법을 decoupling이라고 하는 것입니다.
– Bypassing: 전원 source에서 발생하는 순간적인 energy(혹은 noise)를 low impedance path를 만들어 ground로 이동시키는 방법.
이 두가지를 보면 서로 다른 말처럼 보이나 사실 decoupling의 설명처럼 서로 방출된 신호에너지, 즉 상대방에게는 noise로 보이는 신호를 제거(즉, bypass)하는 것이므로 서로 비슷한 의미로 혼용되고 있는 것입니다.
** Bypass Decoupling Loop **
Bypass capacitor의 역할은 위에서 간단히 설명드렸지만, 주로 IC로부터 power supply line을 decoupling을 하는 데 있습니다. 그림 1은 PCB 상의 이러한 decoupling loop의 등가회로를 보여주고 있습니다. 이러한 bypass capacitor는 그림 1에서 볼 수 있는 power bus inductance와 resistance (R1, Rg2, L2, Lg2 in Figure 1)가 발생시킬 수 있는 영향을 최소화하는 데 있습니다. 그러므로 power supply line에서 발생하는 순간적인 전류의 이동이 IC에 영향을 주지 않도록 해야 합니다.
여기서 알 수 있듯이, bypass capaictor는 가능한 적은 series resistance(ESR)와 series inductance를 가지고 있어야 합니다.
[Figure 1 Bypass Decoupling Loop]올바른 bypass capacitor을 선택할 때 경제적인 이유와 신뢰성 등 여러가지를 고려해서 결정해야 합니다. 사실 우리는 bypass cap이라고 하면 우선 큰 값의 capacitor를 먼저 놓고 시작하게 됩니다.
하지만, 이런 불필요하게 큰 값의 capacitor는 큰 series inductance를 갖고 있으며, 이는 비용도 증가하게 되며, 큰 ESL은 전기적인 안정성도 해칠 수 있습니다.
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