제 1 장 Bypass 콘덴서

1. Bypass 콘덴서 1. 기본적인 개념 (1) R은 직류, 교류 둘다 전류가 흐름 (2) C는 교류(주파수가 높을수록)만 흐르고, 직류(주파수=0)는 흐르지 않음. (3) L은 직류만 흐르고, 교류는 흐르기 힘듬 2. 예를 들어 아래와 같은 회로가 있을 때 입력으로 직류와 교류를 넣어준다면 (1) 파란 화살표 부분에서 교류(ac)성분은 GND를 통해 빠져 나가고(bypass) 직류(dc) 성분만 남음. (2) BYPASS는 어떤 신호를 지나 가게 한다는 의미, 주로 전원 LINE과 GND사이에 붙여 전원에 실린 고주파 노이즈를 제거하여 직류 안정을 위해 사용. (3) logic IC의 신호가 H->L, L->H로 천이 될 때 발생하는 스파크성 노이즈를 제거함. 또한 RS232, 프린터 포트 등의 출력 단에도 적은 용량의 콘덴서를 붙여 필요 없는 고주파 성분을 제거함.

참고) 보통 104는 바이패스용으로 사용, 100uF/25V 전해 콘덴서는 필터용으로 사용 1. 바이패스용은 IC마다 전원단자에 사용(반드시 세라믹 사용, 되도록 smd type 권장) 2. 필터용은 전원 초입(정류 회로 혹은 DC공급 단자)에 붙이는 것이 바람직 참고) 커플링 캐피시터 바이패스나 커플링은 동일한 캐패시터라고 할 수 있고, 다만 용도가 다르게 사용하는 것이라고 할 수 있음. (1) 바이패스 : 특정 주파수에 공진, 그 주파수의 노이즈 성분을 GND로 흘리거나 특정 주파수 성분만 다음 블록으로 흘려주는 역활 (2) 커플링 : 주로 한단과 다른 단을 결합시켜주는 역할 각 단에는 보통 dc bias가 걸려있어서 다른단의 dc특성에 영향을 주지 않고 결합시켜 주기 위하여 dc는 차단하고 신호 성분만 다음단으로 연결시켜주는 역할

2. 74LS04

스위칭 특성에 보면 VCC 5V, 25'C라고 되어 있고 CL=15PF 일때 tr 6ns 라고 되어 있다. 전하량을 구하는 Q = C X 74LS04를 5V에서 동작 시키므로 not gate 한개의 구동에 필요한 전하량은 15PF X 5V =75pC (pico coulomb) 그러므로 6개의 gate를 구동 시키려면 75pC x 6 = 450 pC 이다. 그런데 74ls04를 만약 20MHz 크리스탈을 발진 시키고 버퍼로 전부다 사용을 한다고 가정을 하면 아래와 같이 된다. 450pc X 20mhz = 9.0 mC의 전하가 충방전이 된다는 얘기 이므로 9mA의 전류가 흐른다는 얘기 이다.

데이타북에 보면 tpd( Propagation delaytime의 약자) 를 보면 알수 있는데 74ls04의 경우 표준적으로 6ns 로 나와 있다. H=>L로 변화 할때 순간적인 전류를 계산 해보자. 450pc( 6개 게이트 등가 정전용량 ) / 6ns = 75mC/s 최소 75ma 이상의 (부하 ic 와 패턴 용량을 제외 했으므로) 전류가 흐른다. 전원으로 부터 pcb 패턴을 경유 해서 ic 에 전원이 공급 되고 있다. 이때 pcb 패턴의 저항이 0.4옴이 있다고 하자. 기판에는 100개의 ic 가 있고 적어도 74ls04 정도 이상의 순간 전류를 소비하고 모든 ic 가 동시에 움직이는 동기 회로라고 가정을 하자. 75mA x 100 (ic) =7.5A 이상이 되고 pcb 패턴의 저항 성분 0.4옴에 의해서 7.5A x 0.4(ohm) = 3V나 되는 전압 강하가 일어나서 기판의 ic 들은 겨우 2v의 전원으로 동작하는 사태를 맞이 하게 된다.

필요 최소 조건 1> 고속이어야 한다.(고주파 특성이 좋아야 한다.ns 에 응답 해야 하므로) 2> 적정한(?) 용량이어야 한다. 많은건 좋지만 모자라서는 안된다. 3> 가격이 싸고 가급적 크기가 작아야 한다. 74ls04에 필요한 콘덴서의 용량을 계산 해 보기로 하자. Not gate 1개에 15pf 가 필요하고 합이 6개 이므로 총 75pf 가 필요 하다. 74ls04 가 일시적으로(6ns) 동안 필요한 전하를 디커플링 콘덴서에서 보충 했다고 가정 하면... Q1 = CP * 5V 로 된다. 74LS04가 H->L, L->H로 ASSERT 되었다고하면 디커플링 콘덴서는 5V - 델타 V 만큼 전압 강하가 일어나고 디커플링 콘덴서에 남아 있는 전하량을 Q2 라고 할때 Q2 = Cp X (5 - 델타 V)이고 <= Q= C X V 74LS04가 사용한 전하량 Q3는 Q3= 75PF X (5V -델타 V 디커플링 콘덴서의 전체 전하량 Q1은 Q1= Q2+Q3 이므로 아래와 같이 변형 대입 하면 델타 V /5 = 75PF / (CP+ 75PF) 이므로 전압 강하율은 등가 전하 용량과 디커플링 콘덴서의 비만으로 결정이 된다.

74LS04의 권장 동작 조건은 +10 -10 % 이지만 전원 마진을 생각 하여 +10, -5%로 잡자. 이것을 윗식에 대입 하면 0.05 >= 75PF / (75PF +CP) 이므로 (75PF +CP) >= 75PF /0.05 (75PF +CP) >= 1500PF CP >= 1500PF -75PF 이므로 CP >= 1425PF 가 필요 하다 하지만 1425PF 라는 콘덴서는 없으므로 2000PF 로 하면 된다. 그런데 실제 회로에서는 74LS04만 쓰는게 아니고 그보다 전류 용량이 큰 CPU ROM,RAM ,PLD,TTL에서도 다비트 사용등 이 많이 있으므로 실무 차원에서 볼때 IC 마다 용량의 값이 다른 콘덴서를 일일히 다는것은 곤란 하므로 용량이 큰것은 문제가 되지 않으므로 모든 디커플링콘덴서를 1개의 값으로 통일 해서 사용 하는 것이다. 그런 이유로 현실적으로는 0.01~0.1UF (103,104)의 세라믹 또는 적층 세라믹 콘덴서를 사용 하는 것이다. 보통 TTL만을 볼때는 가장 큰 용량이 필요한 놈이 0.047UF 정도가 필요 한데 약간의 여유와 온도 상승시의 용량의 감소 (부온도 계수) , 콘덴서의 오차등을 감안하여 0.1UF 를 사용 하게 된것이다.

Y Z E P T G M k h da d c m μ n p f a z y SI단위 곱        할       인        자 명     칭 기 호 1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 1024 1 000 000 000 000 000 000 000 = 1021 1 000 000 000 000 000 000 = 1018 1 000 000 000 000 000 = 1015 1 000 000 000 000 = 1012 1 000 000 000 = 109 1 000 000 = 106 1 000 = 103 100 = 102 10 = 101 0.1 = 10-1 0.01 = 10-2 0.001 = 10-3 0.000 001 = 10-6 0.000 000 001 = 10-9 0.000 000 000 001 = 10-12 0.000 000 000 000 001 = 10-15 0.000 000 000 000 000 001 = 10-18 0.000 000 000 000 000 000 001 = 10-21 0.000 000 000 000 000 000 000 001 = 10-24 요타 (yotta) 제타 (zetta) 엑사 (exa) 페타 (peta) 테라 (tera) 기가 (giga) 메가 (mega) 킬로 (kilo) 헥토 (hecto) 데카 (deka) 데시 (deci) 센티 (centi) 밀리 (milli) 마이크로 (micro) 나노 (nano) 피코 (pico) 펨토 (femto) 아토 (atto) 젭토 (zepto) 욕토 (yocto) Y Z E P T G M k h da d c m μ n p f a z y