Quando un condensatore è meglio di due

Nel settore audio si è radicata la tendenza ad usare indiscriminatamente un grande numero di condensatori in parallelo sulle linee alimentazione con l’intenzione di migliorarne le prestazioni alle alte frequenze. Questa convinzione è stata supportata per molti anni da svariate riviste hobbistiche, che hanno contribuito notevolmente alla diffusione di un grande numero di preconcetti nel settore dell’elettronica.

Tuttavia, ormai è stato scientificamente dimostrato come quella di collegare certi condensatori in parallelo non sia assolutamente una buona pratica, perché può produrre delle risonanze indesiderate capaci di sortire l’effetto opposto. Nei casi peggiori, questo può compromettere la compatibilità elettromagnetica del circuito.

In questo articolo verrà affrontato il bypass delle alimentazioni, di fondamentale importanza per evitare la produzione di oscillazioni indesiderate. Si vedrà quindi come la connessione di più condensatori in parallelo possa portare ad un sorprendente peggioramento delle prestazioni, specialmente usando i moderni condensatori elettrolitici a bassa ESR, che sono molto diffusi in ambito audio.

Nell’articolo si è preso come esempio il caso generale dei circuiti ad op-amp, ma le considerazioni ricavate valgono anche per altri tipi di circuiti, come gli amplificatori di potenza.

Perché è necessario il bypass delle alimentazioni?

Affinché un circuito ad op-amp non autoscilli, è necessario che l’impedenza delle linee di alimentazione che lo alimentano sia adeguatamente bassa. Tuttavia, dato che le piste di un circuito stampato e i cavi di collegamento presentano inevitabilmente una certa induttanza parassita, la loro impedenza tenderà ad aumentare al crescere della frequenza. Sempre all’aumentare della frequenza, anche l’immunità ai disturbi che l’op-amp è in grado di fornire nei confronti dell’alimentazione tende a peggiorare. Come risultato, l’op-amp può produrre alla sua uscita delle oscillazioni ad alta frequenza che ne compromettono il funzionamento.

È quindi necessario trovare una soluzione che permetta di ridurre l’impedenza delle linee di alimentazione alle alte frequenze. A questo scopo è sufficiente collegare un condensatore tra i morsetti di alimentazione dell’op-amp e il potenziale di riferimento (GND).

Scegliere il giusto condensatore di bypass

L’elevata impedenza delle linee di alimentazione alle alte frequenze può essere ridotta collegando un condensatore nelle immediate vicinanze dei morsetti di alimentazione dell’op-amp. Infatti, l’impedenza di un condensatore diminuisce all’aumentare della frequenza, come illustrato nella fig. 1.

Sfortunatamente, i condensatori reali sono ben diversi: la loro resistenza parassita (ESR) e la loro e induttanza parassita (ESL) impediscono un comportamento puramente capacitivo, e finiscono col creare tratti a comportamento dapprima resistivo, poi induttivo, dove l’impedenza aumenta nuovamente. Questo si traduce in un andamento come quello illustrato nella fig. 2.

La frequenza alla quale avviene il passaggio dal comportamento capacitivo (desiderato) a quello induttivo (indesiderato) dipende strettamente dal tipo e dalla capacità del condensatore.

I condensatori elettrolitici sono disponibili per grandi capacità, quindi sono efficaci nel ridurre l’impedenza delle linee di alimentazione già alle basse frequenze. Tuttavia, presentano solitamente elevate ESL che determinano un rapido aumento di impedenza alle alte frequenze. Per questo motivo non possono essere usati, da soli, per il bypass delle alimentazioni.

Al contrario, i condensatori ceramici hanno tipicamente ESR ed ESL molto piccole, per cui possono offrire una bassa impedenza alle alte frequenze. Questo li rende i migliori candidati per il bypass, ancor prima dei condensatori a film plastico che possono essere caratterizzati da peggiori ESL. Tuttavia, i condensatori ceramici sono disponibili solo per piccoli valori di capacità (in genere inferiori al microfarad), dunque non riescono a ridurre l’impedenza alle basse frequenze. In seguito si vedrà che, fortunatamente, questo non costituisce necessariamente un problema.

Condensatori in parallelo? No, grazie!

Al fine di ottenere sia un’elevata capacità che un buon comportamento alle alte frequenze, si potrebbe pensare di collegare in parallelo un condensatore elettrolitico con uno ceramico. In pratica questa non è affatto una buona soluzione, perché l’impedenza di questo parallelo assume l’andamento del grafico di fig. 3.

Tra i due minimi viene a formarsi un picco di impedenza dovuto alla risonanza delle ESL con le capacità dei condensatori. Questo aumento di impedenza è tanto più marcato quanto minore è l’ESR del condensatore elettrolitico, e nei casi peggiori può costituire una via preferenziale in grado di promuovere la comparsa di oscillazioni nell’intorno di quella frequenza. Per questo motivo, l’aggiunta indiscriminata di condensatori inutili ha come risultato quello di peggiorare le prestazioni del sistema.

Come eseguire un corretto bypass delle alimentazioni

Fortunatamente, il problema della risonanza tra i condensatori può essere risolto prendendo alcune semplici precauzioni. La prima è quella di evitare paralleli inutili. Infatti, quando i circuiti assorbono correnti modeste, solitamente non è necessario ricorrere ad elevate capacità di bypass. In questi casi è sufficiente collegare un solo condensatore ceramico di capacità adeguata nelle immediate vicinanze dell’op-amp e curare la disposizione delle piste nel circuito stampato.

Quando però i circuiti assorbono correnti considerevoli, come negli amplificatori di potenza, o quando le piste sono particolarmente lunghe, è inevitabile dover ricorrere al parallelo tra un condensatore elettrolitico ed uno ceramico. In tal caso è necessario smorzare la risonanza, e questo può essere effettuato in vari modi. Un primo metodo consiste nel collegare una resistenza da pochi ohm in serie al condensatore elettrolitico o, più semplicemente, scegliendone uno ad elevata ESR (strano, ma vero!).

Un altro metodo, che è in realtà il più diffuso, consiste nel collegare il condensatore ceramico nelle immediate vicinanze dei morsetti di alimentazione di ciascun op-amp, ed inserire un unico condensatore elettrolitico a livello di scheda. In questo modo, si compensa efficacemente l’induttanza distribuita sulle linee di alimentazione, riducendo al contempo l’impedenza anche alle basse frequenze. La risonanza viene eliminata dalla resistenza parassita distribuita nelle piste che separano i condensatori ceramici da quello elettrolitico.

Alcuni numeri

L’induttanza e la resistenza parassite distribuite sulle linee di alimentazione dipendono dal percorso e dalle dimensioni delle piste e dei cavi di collegamento. In mancanza di dati precisi, si può assumere un’induttanza di circa 6 nH/cm di lunghezza, ed una resistenza di circa 5 mΩ/cm.

Eseguendo alcuni calcoli che tengono conto anche delle caratteristiche degli amplificatori operazionali, si giunge alla conclusione che l’uso di un condensatore ceramico da circa 100 nF è praticamente adatto alla maggior parte delle applicazioni.

Anche la capacità del condensatore elettrolitico, da usare solo se realmente necessario, andrebbe calcolata in base alla specifica applicazione tenendo conto di diversi fattori che dipendono dal tipo di circuito e dall’impedenza delle piste. In pratica sono sufficienti valori non molto elevati, generalmente dell’ordine di alcune decine di microfarad. Qui, la tendenza ad usare condensatori eccessivamente sovradimensionati, che sono solitamente caratterizzati da una minor ESR, porta più svantaggi che vantaggi.

Riepilogo

In definitiva, è possibile riassumere alcune utili linee guida utili al corretto bypass delle alimentazioni:

• minimizzare l’impedenza delle piste curando il disegno del circuito stampato;
• quando possibile, usare esclusivamente condensatori ceramici per il bypass, connettendoli il più vicino possibile ai morsetti di alimentazione dell’op-amp;
• ricorrere a condensatori elettrolitici supplementari solo se realmente necessario, ed in tal caso posizionarli a livello di scheda;
• evitare di usare condensatori elettrolitici a bassa ESR o inutilmente grandi in parallelo ai condensatori ceramici.