パスコン容量の決定法

質問

基礎的な質問になります。

ICの電源ラインにはパスコンが必ず入ると思います。
パスコンは、電源ラインに乗っているノイズ成分をGNDに逃がす役割をしていると認識していますが、設計の都度、電源ラインに乗るノイズ成分の周波数が変わるのでは？と思ます。
ノイズの周波数とパスコンの容量の関係をご教授ください。

また、パスコンの容量を決定するにあたって留意すべき点も併せてご教授ください。

回答No.5

noname#230359

コンデンサの容量を選択する際は温度特性も重要です。
リンクのP3、5を見ていただくとわかるように温度特性Fを使うと、温度により容量が80%も減ってしまいます。また、P30のNo.9を見ると直流を印加しても容量が減ることがわかります。定格電圧の50%を印加するとF1特性では温度特性も含めてなんと-95%、つまり定格容量の5%になってしまいます。

パスコンですから直流は必ずかかります。Zの容量誤差が+80%～-20%ですから最悪値ではありますが、私はこの温度特性のものを使うことはありません。
http://www.murata.co.jp/catalog/c02j13.pdf

また、ノイズの周波数成分の関係で小容量と大容量のものを並列に入れるときは、高周波特性を生かすため小容量のものをICの一番近くに配置するようにします。

回答No.4

noname#230359

村田製作所のサイトに詳しい資料があるのでリンクを張っておきます。
他、TDK社のサイトも参考になると思います。

前回紹介したページ中の一記事です。

ノイズの増大を食い止めるテクニック
http://www.murata.co.jp/articles/g03c1.html

パスコンの役割や選定のポイントがわかりやすく
書かれています。

CQ出版社のトランジスタ技術誌、
トランジスタ技術Special
は、易しくわかりやすい記事が多いので
継続購読お勧めです。
実際に回路を作ってトラブルと解決の経験を
重ねることや、数学、物理の学習もお勧めです。

>単純なロジックもしくはＣＰＵが乗っていても全体として電流が少なく、
>４層以上の基板で実装する場合はなくてもかまいません。
>なぜなら内層のＶｃｃとＧＮＤでコンデンサが形成されるからです。

引用のように多層基板への実装はEMI輻射を抑える効果が大きく、電源ライン
ではなく、電源層とグランド層と、配線構造も異なってきます。

EMI(不要輻射電波)は、プリント基板上の配線パターンから放出されると
考えられていたころもありましたが、近年の研究では、
電源層とグランド層間の電圧が、電流の変化で変調されることにより、
EMI輻射の主流電波として発生することが既に公知になっています。

EMIを抑えるまたはイミニティを高めるテクニックはいくつもあります。
ノイズ　対策　パスコンなどを検索キーにしても沢山の参考記事が
webでも見つかると思います。

>単純なロジックもしくはＣＰＵが乗っていても全体として電流が少なく、
>４層以上の基板で実装する場合はなくてもかまいません。
>なぜなら内層のＶｃｃとＧＮＤでコンデンサが形成されるからです。

多層基板では通常は、電源層パターンの端とグランド層の端で、
出来るだけ小型のチップ型セラコン(100PF～0.1uF程度の場合が多い）を
等間隔に配置する方法が良く使われます。
チップセラコンはパスコンとして現在最も優れた高周波特性を持っています
が、それは大きさが小型であるほど、チップセラコンの固有共振周波数を
上げることが出来るので、EMI測定周波数範囲で、広範囲の優れた
EMI抑制性能をだせます。

パスコン実装を不要とする多層基板実装方法の提案も特許公開広報などに
見あたりますが、おそらくその方法は殆ど使われていないと思われます。

また、多層基板末端では、基板の外周に、電源層とグランド層を結ぶ
電気力線が発生しますので、EMIの原因になっています。
この基板外周の電気力線の発生を抑えるには、どちらかの層を約10mm
程度、内側にレイアウトします。こうすると、基板周辺に発生する
電気力線が小さくなると報告されています。（これも公知）

一方、デジタル回路を離れ、（アナログ）高周波電力回路になると、
電力トランジスタのコレクタ側につけるパスコンは、
10uF以上の電解コンデンサと、0.1uF程度のセラコンを
並列にすることが、異常発振を防止するノウハウとして
良く知られています。

なお、トラ技に、CMOS ICのパスコン最適容量を計算で見積もる記事も
書かれたことがあります。私も計算しましたが、最終的には経験値を
優先して採用しました。

参考URL：

http://www.murata.co.jp/articles/index.html#cap

お礼

ありがとうございます。
参考にしてみます。

回答No.3

noname#230359

高周波や無線絡みで無い、通常のデジタル回路前提ですが、

まずパスコンをなぜ入れるのか？ですがＣＰＵなどクロックで動作しているＩＣは消費電流がクロック周波数で変動します。
つまり電源ラインにはクロック周波数（そのｎ倍など）のＡＣ電流が流れていることになります。このＡＣ電流成分はどこかのコンデンサ（Ｃ成分）で吸収されますが、コンデンサが遠いところにあってＡＣ電流が流れる経路が長いと、電流ループが大きくなりますので、そこから放射される電磁波が多くなりＥＭＣ特性が悪くなります。

ですので、パスコンの容量を選ぶ際には、そのＩＣがどういう周波数で動作しているか、どれくらいのＡＣ電流成分があるか（あまり容量が小さいと吸収しきれない）が選定基準になりますが、周波数に関してはセラコンのデータシートで周波数特性を見てもわかる通り、多少違いはあるものの、ほぼ大は小を兼ねるという特性をもってますので、よほどうるさいICでなければ、神経質にならず0.1uFや0.01uFなどの大量に使われていて安く使えるものを選べばよいでしょう。DSPかCPUだったかに0.1uFと10uFを並列に付けたことがありますが、データシートにそう書いてあったからと思います。

個人的には容量云々よりも、場所にこだわってます。ICの電源ピンに近いところで、電源ラインからパスコンを経由してICに電源がはいるようパターンを引く。両面実装だったらIC側の面に配置。前述の電流ループを小さくするためです。

追記です。

「電源ラインに乗っているノイズ成分をGNDに逃がす役割をしている」とのご認識とは異なることを書きましたが、ＡＣ電流が大きいＩＣとそれを吸収するコンデンサとの間に配置されてしまった他のＩＣにとっては、ノイズとなりますので、基本的には同じことです。つまりＩＣ自身が出すノイズ成分が他の人や自分に対して悪さしないようにしてやるということですね。

お礼

ありがとうございます。

配置に関してアドバイス通り、注意してみたいと思います。

回答No.2

noname#230359

単純なロジックもしくはＣＰＵが乗っていても全体として電流が少なく、４層以上の基板で実装する場合はなくてもかまいません。なぜなら内層のＶｃｃとＧＮＤでコンデンサが形成されるからです。
ただし、電磁波などのノイズに強くするためには104,103,102などを入れたほうがいいです。通常104だけでＯＫです。
コンデンサは周波数特性がありますので、ある周波数を超えるとインピーダンスが逆に高くなります。小さいコンデンサほどその値が高周波の域にありますが、容量が小さいとききめが弱いので容量のことなるものを入れる場合があるわけです。
またアナログＩＣ（特にＡＤＣとか）ですと電源から10Ω入れてから１０μ（低インピーダンス品）を入れるように指示されているものもありますので
データシートを参照してください。
ＣＰＵのＡＤ用Vddなどにも規定があります。

お礼

ありがとうございます。

コンデンサの値が小さいほど、インピーダンスが高くなる周波数が高域になるんですね。
知りたかったことの1つです。
ありがとうございます。

回答No.1

noname#230359

以下は電子回路関係の教育を受けたことがないけど設計者をやっている変人の方法ですのであまり参考にはならないかもしれません^^;

ICがどのようなICを指しているのか（≒デジタル回路か、アナログか、特に高周波か）にもよりますが…

デジタル回路でしたら、特定の周波数…という考え方をしていません
基本的には、ロジックICひとつに0.1uFのセラコン一つ、神経質そうな回路だったらところどころに1uFとか数uFのセラコンを散らかしています
FPGAとかDSPのように電源ピンだらけの奴は、本音はピンの数だけ0.1uFをおきたいのですがそうすると基板が満杯になりかねないので、均等にちりばめられる程度の数を置くことにしています

パスコンに使うZ級のセラコンなんて、容量誤差範囲が+80%、-20%ですから、容量に気を使っても仕方ないかなぁ～ってことで…

こだわるならESRを気にしたほうが余程効果があります
例えば電解コンデンサを保護回路内蔵のタンタルなどに変えて見るとか、タンタルを大容量セラミックコンデンサに変えて見るとか…
（オンボードDC-DCなどが居るときは、時々位相が廻っちゃって異常発振する奴もいるので、むやみには出来ませんが）

アナログでも同じような感じですね
特に扱う周波数が決まっているなら、その周波数を意識した容量（その周波数でＸcが十分小さくなる容量）のものを入れることがありますけど、大抵の場合周波数範囲が広すぎていちいち対応したＣを入れていたら、パスコンのオバケになっちゃいますので、適宜端折ってしまいます

（本業じゃないのですが）高周波の場合は、事情が許す限り容量違いのパスコンを入れています
といっても、短波帯を扱うなら0.01uFも入れておこうかなとかVHFだから0.001uFぶら下げておこうかなとか、その程度でトラブルは起きていません

混在回路って訳ではありませんが、携帯基地局のアンテナ直下に組み込まれるデジタル回路基板のパスコンを104Zと、電源入力部にタンタル数個だけで作っちゃったことがありますけど、誤作動とかトラブルは全くありませんでした。
運が良かっただけという説もありますが^^;

お礼

ありがとうございます。

デジタル回路を扱うか、アナログ回路を扱うか、高周波を扱うかでコンデンサの考え方が変わってくるのですね。
高周波のコンデンサの扱い方をもう少し詳しく知りたいです。
(専門外って書いてあるのにすみません。。。)