デカップリングコンデンサ

電子工学において、デカップリング コンデンサは、回路の一部と他の部分を分離する(つまり、電気エネルギーが伝達されるのを防ぐ)ために使用されるコンデンサです。他の回路要素によって発生したノイズはコンデンサを通じて分流され、回路の残りの部分への影響が軽減されます。 より高い周波数の場合、電源や回路の 他の高インピーダンス部品をバイパスするために使用されるため、別名はバイパス コンデンサです。

電子システムの能動素子（トランジスタ、集積回路、真空管など）は、有限の抵抗とインダクタンスを持つ導体を介して電源に接続されています。能動素子が消費する電流が変化すると、これらのインピーダンスにより、電源から素子までの電圧降下も変化します。複数の能動素子が電源への共通パスを共有している場合、1つの素子が消費する電流の変化によって、他の素子の動作に影響を与えるほどの大きな電圧変化（電圧スパイクやグランドバウンスなど）が発生する可能性があるため、1つの素子の状態変化は、電源への共通インピーダンスを介して他の素子と結合されます。デカップリングコンデンサは、共通インピーダンスを流れるのではなく、過渡電流のバイパスパスを提供します。 ^[1]

デカップリングコンデンサは、デバイスのローカルエネルギーストレージとして機能します。コンデンサは、電流が供給される回路の電源ラインとグランドの間に配置されます。コンデンサの電流と電圧の関係によると

${\displaystyle i(t)=C{\frac {d\,v(t)}{dt}},}$

電源ラインとグランド間の電圧降下により、コンデンサから回路に電流が流れ出します。静電容量Cが十分に大きい場合、許容可能な範囲の電圧降下を維持するのに十分な電流が供給されます。コンデンサは、コンデンサへの電源導体の電圧降下を補償できる少量のエネルギーを蓄えます。不要な寄生等価 直列インダクタンスを減らすために、多くの場合、小型および大型のコンデンサが個々の集積回路に隣接して並列に配置されます(「配置」を参照)。

デジタル回路では、デカップリング コンデンサは、急速に変化する電源電流によって比較的長い回路トレースから 電磁干渉が放射されるのを防ぐのにも役立ちます。

デカップリング コンデンサだけでは、高出力アンプ ステージと低レベル プリアンプが結合されている場合などには不十分な場合があります。回路導体のレイアウトには注意が必要です。1 つのステージで大電流が流れても、他のステージに影響を与える電源電圧降下が発生しないようにする必要があります。このためには、プリント回路基板のトレースを再配線して回路を分離するか、グランド プレーンを使用して電源の安定性を向上させる必要があります。

バイパス コンデンサは、サブ回路を電源やその他のライン上のAC 信号や電圧スパイクから分離するためによく使用されます。バイパス コンデンサは、これらの信号または過渡現象からのエネルギーを、分離するサブ回路を通り抜けて戻り経路に直接分流することができます。電源ラインの場合、電源電圧ラインから電源戻り (ニュートラル) までのバイパス コンデンサが使用されます。

高周波および過渡電流は、分離回路のより困難な経路ではなく、コンデンサを介して回路の接地に流れることができますが、DC はコンデンサを通過できず、分離回路に流れ続けます。

デカップリングのもう 1 つの種類は、回路の一部が回路の別の部分で発生するスイッチングの影響を受けないようにすることです。サブ回路 A のスイッチングにより、電源やその他の電気ラインに変動が生じる可能性がありますが、そのスイッチングとは関係のないサブ回路 B が影響を受けないようにする必要があります。デカップリング コンデンサはサブ回路 A と B をデカップリングして、B がスイッチングの影響を受けないようにすることができます。

サブ回路では、スイッチングによってソースから引き出される負荷電流が変化します。一般的な電源ラインには固有のインダクタンスがあるため、電流の変化に対する応答が遅くなります。スイッチング イベントが発生している限り、これらの寄生インダクタンスによって電源電圧が低下します。2 つの負荷間のインダクタンスが負荷と電源出力間のインダクタンスに比べてはるかに低い場合、この過渡的な電圧低下は他の負荷でも発生します。

突然の電流需要の影響から他のサブ回路を分離するには、サブ回路と並列に、その電源電圧ラインを横切ってデカップリング コンデンサを配置します。サブ回路でスイッチングが発生すると、コンデンサが過渡電流を供給します。理想的には、コンデンサの電荷がなくなるまでにスイッチング イベントが終了し、負荷が電源から通常の電圧で全電流を引き出すことができ、コンデンサが再充電できるようになります。スイッチング ノイズを減らす最良の方法は、誘電体材料を挟んで電源プレーンとグランド プレーンを挟み、PCB を巨大なコンデンサとして設計することです。^{[引用が必要]}

応答を改善するために、コンデンサを並列に組み合わせることがあります。これは、実際のコンデンサには寄生インダクタンスがあり、高周波数ではインピーダンスが理想的なコンデンサのインピーダンスからずれるためです。^[2]

前述のような過渡 負荷デカップリングは、高速に切り替わる大きな負荷がある場合に必要です。スイッチングが非常に高速に発生する場合、各（デカップリング）コンデンサの寄生インダクタンスによって適切な容量が制限され、適切なタイプが影響を受ける可能性があります。

ロジック回路は突然の切り替えを行う傾向があります (理想的なロジック回路は、低電圧から高電圧に瞬時に切り替わり、中間電圧が観察されることはありません)。そのため、ロジック回路基板には、各ロジック IC の近くに、各電源接続から近くのグランドに接続されたデカップリング コンデンサが配置されていることがよくあります。これらのコンデンサは、電源電圧の低下に関して、すべての IC を他のすべての IC からデカップリングします。

これらのコンデンサは、電源を可能な限り安定させるために、各電源と各アナログ コンポーネントに配置されることがよくあります。そうしないと、電源電圧変動除去比 (PSRR)の低いアナログ コンポーネントは、電源の変動を出力に反映してしまいます。

これらのアプリケーションでは、デカップリング コンデンサはバイパス コンデンサと呼ばれることが多く、通常は安定した電源電圧の変化を引き起こす高周波信号に代替パスを提供することを意味します。急速な電流注入を必要とするコンポーネントは、近くのコンデンサから電流を受け取ることで電源をバイパスできます。したがって、より低速の電源接続を使用してこれらのコンデンサを充電し、コンデンサは実際に大量の高可用性電流を供給します。

過渡負荷デカップリングコンデンサは、デカップリング信号を必要とするデバイスのできるだけ近くに配置されます。これにより、デカップリングコンデンサとデバイス間のラインインダクタンスと直列抵抗が最小限に抑えられます。コンデンサとデバイス間の導体が長いほど、インダクタンスが大きくなります。^[3]

コンデンサは高周波特性が異なるため、理想的にはデカップリングにはコンデンサの組み合わせを使用します。たとえば、ロジック回路では、ロジック IC ごとに約 100 nF のセラミック (複雑な IC の場合は複数) と、ボードまたはボード セクションごとに最大数百 μF の 電解コンデンサまたはタンタル コンデンサを組み合わせるのが一般的です。

これらの写真は、スルーホール コンデンサを備えた古いプリント回路基板を示していますが、最近の基板には通常、小さな表面実装コンデンサが搭載されています。

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  1980 年代のCommodore 64メイン ボード。オレンジ色の丸いディスク部品のほとんどはデカップリング コンデンサです。
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  1980 年代のCromemco XXU、Motorola 68020プロセッサS-100 バスカード。IC 間の軸部分はデカップリング コンデンサです。
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  1970 年代のCromemco 16KZ、16KB DRAMメモリS-100 バスカード。緑色の円形のディスク部品はデカップリング コンデンサです。
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  1970 年代のElectronika 60用I1パラレルインターフェイス ボード。緑色の長方形の部品はデカップリング コンデンサです。

• セラミックコンデンサ
• 等価直列インダクタンス
• 等価直列抵抗
• フィルムコンデンサ
• Eシリーズの優先番号

• バイパスコンデンサの選択と使用 – Intersil のアプリケーションノート
• デカップリング – ヘンリー・W・オットによるさまざまな周波数のデカップリング ガイド
• 電源ノイズ低減 - 効果的な電源バイパスおよびデカップリング ネットワークの設計方法 (Ken Kundert 著)
• ESR とバイパス コンデンサの自己共振動作: バイパス コンデンサの選択方法 - Douglas Brooks による記事
• 回路基板の分離情報 – さまざまなタイプの回路基板の分離ガイドライン
• シグナルインテグリティの基本原理 – Altera ホワイトペーパー
• バイパスコンデンサ、トッド・フービング氏へのインタビュー – ダグラス・ブルックス