회로설계시 꼭 필요한 설계 요소인 바이패스 콘덴서에 대해 알아봅시다.

 

먼저 바이패스 콘덴서가 무엇인지 부터 알아야 겠죠?

 

바이패스 콘덴서(by-pass capacitor) 란?

IC의 전원과 GND(그라운드) 양단간에 접속하는 콘덴서 입니다. 

 

IC는 전원 노이즈에 아주 약합니다 따라서 전원의 떨림이 생기면 정상 동작을 하지 않을때도 있습니다.

따라서 바이패스 콘덴서를 생략하면  IC가 발진하여 과열되는 회로,가끔 오동작이 발생하는 회로,

아무런 이상없이 동작하는 회로 등등 다양한 현상을 체험하시게 됨니다....-_-;;

 

회로가 동작하게 되면 필연적으로 패턴이나 전선들의 저항성분에의해 전압강하가 발생하게 됨니다.

이때 IC의 전원전압 범위를 벗어나게 되면 오동작이 발생하게 됨니다.

또한 IC에서 발생되는 고주파 노이즈 역시 회로의 오동작을 초래하게 되죠....

 

요약하자면 바이패스 콘덴서는 IC 전원전압 안정화~! 고주파노이즈 제거~! 원샷투킬의 일꾼이라고 하겠습니다.

  

자 일단 바이패스 콘덴서의 용량을 결정하는 법에 대해 알아보도록 하죠

우리가 알다시피 TTL IC는 기본적으로 TR의 조합으로 만들어 지는걸로 알고 있습니다.(TTL<=>TRANSISTOR TRANSISTOR LOGIC) 가장 간단한 NOT GATE 하나에도 TR이 6개가 들어가죠 만고불변의 진리 데이터 시트에 그해답이 있습니다.

 

흔히 많이 사용하는 TTL중에 74LS04를 보면.  

스위칭 특성에 VCC 5V, 25'C라고 되어 있고 등가용량(CL=15pF)일때 tr 6ns라고 되어 있습니다.  

NOT Gate 1개에 15pF가 필요하고 합이 6개이므로 총 90pF가 필요합니다.  

 

우선 74LS04의 출력이 "H" 또는 "L"로 가만히 있을때,처음에 바이패스 콘덴서에 축적되어 있는 전하

량 Q1은 바이패스 콘덴서의 정전용량을 Cp,전원전압을 5V라 하면

Q1 = Cp x 5V 로 됨니다.

74LS04를 동작하기 위해, 인버터 1소자당 15pF,6소자 합계 90pF의 등가 전력용량을 빠른

속도로 충전하게 되었다고 하죠

그러나 이때 멀리있는 전원으로부터는 바로 전하가 도달하지 않고, IC의 등가 전력용량의 충전에

필요한 모든 전하를 바이패스 콘덴서가 일시 부담했다고 가정하면. 74LS04의 동작 종료 직후에는 바이패스 콘덴서로부터 충전에 소비된 양의 전하가 빠지고 바이패스 콘덴서의 전압은 미소한 전압 "V"만 강하하여 5-V(V)가 됨니다.

이때의 바이패스 콘덴서에 남아있는 전하 Q2는

Q2 = Cp x (5-V) 이고

또한 인버터가 얻은 전하의 양 Q3는

Q3 = 90pF x (5-V) 로 됨니다.

그런데 전원으로부터 아무런 원조를 받을 수 없었기 때문에 74LS04의 동작전후의 전하량은 변함이

없으므로

Q1 = Q2 + Q3 이되죠

74LS04의 권장 동작 조건은 +10, -10 %이지만 전원 마진을 생각하여 +10, -5%로 잡고

위식에 대입 하면 0.05 >= 90pF / (90pF +CP) 이므로

(90pF +CP) >= 90pF /0.05
(90pF +CP) >= 1800pF
CP >= 1800pF -90pF 이므로
CP >= 1710pF가 필요 하다는것을 알게됨니다.

하지만 1710pF라는 콘덴서는 없으므로 2000pF로 하면됨니다.  

그런데 실제 회로에서는 74LS04만 쓰는게 아니고

그보다 전류 용량이 큰 CPU, ROM, RAM, PLD, TTL에서도 다비트 사용등이 많이 있으므로

 IC마다 용량의 값이 다른 콘덴서를 일일히 다는것은 곤란하죠,

용량이 큰것은 문제가 되지 않으므로, 모든 디커플링콘덴서를 1개의 값으로 통일해서 사용하게 되는 거죠.

그런 이유로 0.01~0.1uF (103,104)의 세라믹 또는 적층 세라믹 콘덴서를 사용하는 것입니다.

보통 TTL만을 볼때는 가장 큰 용량이 필요한 놈이 0.047uF 정도가 필요한데

약간의 여유와 온도 상승시의 용량의 감소 (부온도 계수), 콘덴서의 오차등을 감안하여 0.1uF를 사용하게 되는 것입니다.

하지만 요새 100핀 이상의 QFP등등의 IC를 보면 전원핀이 여럿 나와 있는것을 볼 수 있는데

이것은 그만큼 전원을 많이 사용한다는 증거이므로 당연히 여러개의 디커플링 콘덴서가 필요하겠지요. 

마지막으로 0.1uF이 개별 IC를 위한것이라면 전체적으로는 전원 변동에 대비해서

전해 콘덴서를 달도록 하고 통상 1개면 되지만 기판이 A3 사이즈 같이 클 경우에는

같은 용량이라도 2개 또는 3개로 나누어 다는것이 더 효율적입니다. 

이 콘덴서의 용량은 전체 소비전류를 구해서 여분을 더 한후 값을 정해야 겠지요.

 

마지막으로

고주파 특성이 좋은 바이패스 콘덴서는 IC 바로옆에 붙이고(전원단자) 그다음에

큰용량의 바이패스 콘덴서(리플대응형)를 붙이는 것이 좋습니다.

콘덴서의 고주파 임피던스를 정하는 것은 배선 길이에 의한 코일성분이므로, 칩형이 이상적이며

리스선이 붙은 경우는 리드선이 가급적 짧아 지도록 실장합니다.

 

 

 

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