デカップリング（コンデンサ）について２

質問

No.1971の続きです。

デカップリングコンデンサの働きとして、電流の流れについて次のどちらが正しいのか教えてください。
回路Ａを対象とします。

ａ）遠くの回路で発生した信号（ノイズ）が、回路Ａまで流れてくる。デカップリングコンデンサがないと回路Ａにその信号（ノイズ）が流れてしまうが、デカップリングコンデンサがあれば、コンデンサのインピーダンスが低いのでそこを流れ回路Ａには流れない。（パスコンのイメージ）

ｂ）回路Ａで急峻な電圧変化があった際、その電流を流すために遠くのコンデンサから供給すると、
経路のインピーダンス×電流　　・・・（１）
の電圧変化が生じてしまう。
回路Ａの近傍にデカップリングコンデンサがあれば、そこから供給されるので（１）の経路インピーダンス≒０となり電圧変化が生じない。

不要な信号を遮断する（パスコンのイメージ）なのか？供給元としての役割なのか？２通りの解釈があって悩んでいます。

回答No.4

tadamaru2004 · ベストアンサー

大事なことを忘れていました。(^_^;)

>不要な信号を遮断する（パスコンのイメージ）なのか？供給元としての役割なのか？２通りの解釈が
>あって悩んでいます。

「悩んでいる」とのことですので，「悩まなくても良い」とお答えします。(-_-;)

回路に並列に（対GND）接続されたコンデンサに入った高周波成分（交流）は，一気に減衰します。
高周波の供給元にはなり得ません。
コンデンサが供給元になれるのは「直流」の場合だけです。

「遮断するものなのか？」・・・
信号が，左から右へ抜けていく回路があり，この回路の途中にR1,R2が直列に入り，その中間からGNDへ
コンデンサC1でバイパスさせる回路を考えてみてください。
左から入って来た信号は，R1の”抵抗”に出会い，ようやく潜り抜けたと思ったら，C1によってストンと
GNDへ落とされてしまいます。
弱った気力を振り絞って，更に右へ進もうとすると，更にR2の”抵抗”に出会い，右側へ抜け出すことが
出来ません。
これはローパスフィルタの原理です。
このコンデンサの機能がバイパスです。

これでお分かりのように，現象的には”吸収”です。
しかし，信号が左から右へ行けなくなる，という点では，遮断と言ってもよいかと思います。

これは，♯２のお礼の書き込みの，ご回答にもなっているのではないでしょうか？

お礼

>高周波の供給元にはなり得ません。
>コンデンサが供給元になれるのは「直流」の場合だけです。
この回答のおかげでだいぶすっきりしました～＾＾
後半のほうの説明もわかりやすくてよかったです。
本当にありがとうございました。

回答No.9

tadamaru2004

いやー　この質問は「釈迦に説法」でした。
その通りです。
しかし，わたしはこの質問を３０年前，ＣＱ編集部に投げかけて，正解は貰えませんでした。

ところで，パスコンですが・・・
最近の，高周波，デジタル技術では，パスコンの役割はものすごく重要視されていて，その実装技術が解説
されていない本はない，と言ってもよいくらいです。

一度書籍を探してみては如何でしょうか？
基本的なところからご理解いただけるかと思います。
パスコンを表題にした本もあります。
このサイトで質問するより，もっといろんなことが分かってよいと思うのですが・・・。

お礼

そのとおりですね。
ついつい楽なネットを使ってしまって・・・
当たり前の事ですが、確実にやらないとダメですね。２～３日中に本屋さんへ行ってみたいと思います。

回答No.8

tadamaru2004

厳しいことを言われましたね。(-_-;)

でも一部同感というところもあります。
「・・・下手をすれば蘊蓄居士の経験論や説教を聞かされるだけです」・・・前回のデッカップリングは
この通りになってしまったのではないかと思っています。
でも，これはこのサイトの本質的な問題です。
どんな出し方をしても，上記のような人は出て来ます。

gooを見に行って来ました。
残念ながら，書き込みができません。
未だ解決していないようだったら，こちらに再度出してもらえませんか？
できれば，今のあなたのレベルで，考えられるだけのことを書いていただけると有難いです。
当時よりは，だいぶ進歩なさっておられると思いますので・・・。(^_^;)

電源の平滑回路が大きな関心事とは思っていませんでした。
どうも話がかみ合わないような気がしていました。
パスコンと言えば通常は，MHzから10GHzくらいまでの動作を考えます。
GHzではmm単位が問題になります。

それでは一つ電源回路の問題を出します。
電源回路を組むとき，直流出力（整流直後）の２端子，コンデンサの２端子，出力側の２端子，これらを接続するときどういう風に接続すべきか，答えてみてください。
（レベルの低い質問でしたらご容赦ください。でもわたしはこの問題を３０年前，ＣＱ編集部に問い合わ
せたのですが，誰も正解をくれませんでした）

ロジック回路のパスコン配置は物凄く重要な課題です。
最近のパソコンはGHzオーダーで動作します。
基板の厚さも昔のように1.6mmでは対応できません。
0.8mmから更に0.4mmの基板を使ったものもあります。

お礼

＞厳しいことを言われましたね。(-_-;)
そうですねぇ＾＾；
他人の質問を受ける時に同じことを思う事があるのですが、自分で質問する時は知らず知らずのうちにそうなってしまうようですね。本当に分からない時は、基本的なことなのが、一つ上のレベルなのか、専門家でも難しい内容なのか、それ区別さえ出来ませんからね。

さて質問の方ですが、質問の内容がピンとこないところもありがすが、自分なりの回答を。
電源の最終段の平滑コンデンサの役割は内部のリップル分をできる限り抑える事ですから、整流後の端子から流れる電流を確実にコンデンサに流さなければいけません。したがって
￣￣＼／￣￣
　　　　C　　出力
＿＿／＼＿＿
とすればよいです。もちろんCのESRも小さくしたいですから短いパターンで。
￣￣Ｔ￣￣
　　　C
＿＿⊥＿＿
とすると、コンデンサを通らずに出力に抜けてしまう電流も発生するためリップルが若干増えます。
分かりにくいですが、この回答でどうでしょうか？

回答No.7

abyssinian

君は、回路状の電源や信号の導体はその幾何学形状に応じたLやCを有するという原理的で単純な事を理解してないようです。
　その正道にもとづかないで、ネットで物語り的な説明を求めても、チャットしても、無駄に終わります。下手をすれば蘊蓄居士の経験論や説教を聞かされるだけです。

　君は原理的に同じことを、最初に質問してたのです。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=871272
　この時に、まじな方向に進んでいたら、今の疑問に答えられる知識がついていた。

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=871272

お礼

アドバイスありがとうございます。

＞幾何学形状に応じたLやCを有するという原理的で単純な事を理解してないようです。
これは、パターンなどが裏表で存在すれば、そこにCが発生したり、長さ1cmのラインがあればそこに10nH程度のLが発生したりすると言うことを言っているのでしょうか？
それとも全然違うことを言っているのでしょうか？

回答No.6

tadamaru2004

オペアンプもLSIもロジックICも，みんな増幅素子で構成された増幅器ですね。
パスコンの取り付け位置や定数が悪いと，ノイズを拾って増幅して誤動作を起こしたり，信号がフィード
バックされて発振したりします。
ロジックICにおいても，パスコンの取り付け方法は極めて重要です。
取り付けのテクニックは，一般の増幅器と全く同じです。

コンデンサ＝蓄電器のイメージがあるために，「電気を貯めるもの」と考えられがちですが，これは直流の
場合だけです。
高周波（交流）回路ではただのインピーダンス素子（Capacitive Impedance）として作用する，とお考
えください。
（実はこの特性のほうが重要なのですが・・・(^_^;)）
Xc=1/(2ΠfC)で変化するインピーダンス素子です。

ところで，このQ&Aでは，わたし一人がしゃべり過ぎました。
他にも「オレならもっと上手に説明してやる・・」と手ぐすね引いて待っていらっしゃる方が大勢おられる
のではないかと思っています。(^_^;)

質問者さんも気分を変えるために，他の回答者さんのご意見をお聞きになられたほうがよいかも・・・
という気もします。（気分を変えるとパッと閃めくことがあります）
もし，そう思われるなら，ご遠慮はいりませんので「他の回答者を希望する」とお書き込みになって
ください。
今のままでは，他の回答者さんは出て来られないと思います。
どうぞご遠慮は要りません。

お礼

私が主に使用するコンデンサの役割は電源の平滑コンデンサです。したがって、数十ｋHz～数百ｋHzでの使用になりますが、安定化する目的でもあるし、供給源（負荷の急変時に平滑コンから供給する）でもあるのです。この平滑コンのイメージが強くて、なかなか違うイメージで捉えるのが困難なようです＾＾；（頭が固い・・・）

＞オペアンプもLSIもロジックICも，みんな増幅素子で構成された増幅器ですね。
確かに増幅素子で校正されていますが、私にはロジックICだと増幅器と言うより、演算器なのです。ここが頭の固いあらわれですね＞＜

いろいろアドバイスありがとうございます。

回答No.5

tadamaru2004

だいぶ話が混乱してきたかと思いますので，ここらでお考えを整理して，疑問点を箇条書きで
記載されては如何でしょうか？

お礼

おっしゃられる通りです。
たくさんのやり取りがあったので、もう一度最初からまとめなおして理解できたかどうか確認してみます。
ということで、次の投稿は8/23になると思います。

回答No.3

tadamaru2004

補足です。

「De-couppling:減結合」の意味で，一般には「一つの機器内にあるＡという回路と，Ｂという回路の結合
を減らす」という意味で使います。
ＡとＢとの結合には，いろんな形態がありますが，その中の一つに「電源ラインを経由しての結合」が
あるので，この結合度を減らす目的で使うのが，一般に「パスコン」（デカップリング）と呼ばれるものです。

ご質問のa)を再度読んでみて，質問者さんは「遠くにあるノイズ源（別機器）」と，こちらにある機器内
の回路Ａとの結合を（減らすことを）問題にしているのかな，と感じました。
（わたしは最初，「遠くの回路」も，一つの機器内にあるものなのだと思っていました）

このような結合も確かに存在します。（電磁誘導，静電結合）
その結果，Ａ回路にノイズ信号が誘起されます。

これは大変難しい問題です。
勿論，このような場合にも，両者の結合を断つことで解決します。
しかし一般には，デカップリングコンデンサは上記のように使うものですから，このような場合には
全く役に立ちません。
ただし，結合の結果「電源回路に誘起されたもの」なら，パスコンによってGNDに流す（遮断する）ことが
できます。

それ以外の方法でこの結合を減らすためには何処にコンデンサを入れたらよいか？
・・・・ンー，これはちょっと思いつきません。(^_^;)

回答No.2

tadamaru2004

>同じ電源電圧に接続されていたら、フィードバック（というか信号の伝達？）されてしまうものと考え
ればいいのでしょうか？

そのとおりです。
ちょっと言い換えます。

同じ電源に接続されていたら，信号が（電源ラインを通って）フィードバックされ，発振してしまう・・・
（最悪のケースですが・・・）

わたしは，パスコン（デカップリング）の役割を説明するには，増幅器を例に挙げるのが，分かりやすくて
良いと思いました。

質問者さんは「一般的なケース」とおっしゃってられますが，どういう回路を想定なさっておられるのでしょうか？
そこらあたりをよろしくお願いいたします。

お礼

＞質問者さんは「一般的なケース」とおっしゃってられますが，どういう回路を想定なさっておられるのでしょうか？

え～とですね、イメージとしてはロジックICであったり、単純にオペアンプであったり、何らかのLSIとぼんやり考えています。
もともと、デカップリングについて質問させていただいたのは次のような理由からです。
・昔からよくカップリング、デカップリング、バイパス等の言葉を使用していますが、（深く考えたことはないですが）何となく理解したつもりで使っていました。しかし、新人にとっては初めての言葉らしく、言葉ではなんとなく説明できていた（？）つもりなのですが、説明資料として言葉で正確に表現しようとしたら・・・「あれ？どう説明すればいいのだ？」「本当にこれであっているのかな？」といろいろ疑問が出てきました。　ある１回路において説明するわけではなく、新人に「デカップリングとは」と説明するつもりで一般的な表現を求めております。ですから、特に特定の回路があるわけではないのです。学生でも理解できるように、分かりやすく説明できたらいいなぁと思っています。

回答No.1

tadamaru2004

前回の回答者です。
その節はお世話になりました。(^_^;)

実は，わたくしも，あの説明では不十分だろうなあ，と思っていました。
（一度に書き込めませんのでご容赦・・・とゆーか，少し考えていただきたい，というイジワル・・・？）

a)は素直な考えで，良いと思います。
b)は，ちょっと理解しにくいところもありますが，同じことなのではないでしょうか？
　「経路のインピーダンス×電流　　・・・（１）
　の電圧変化が生じてしまう。」
　この発想は大変貴重です。（憶えていてください。後で説明します）

「パスコンは大きなプールのようなもの」とイメージされたら，如何でしょうか？
ここに，バケツで水を入れても，ほとんど液面は変化しません。
ところが小さな水槽（容量が小さいコンデンサ）では，たちどころにレベルが変わります。

そして，このプールとプールの間は，わざと流路を狭くして，流れにくくします
（正確に言うと，直流は流すが，信号は通さない・・・→RFC(高周波チョーク）)

ここで先ほどの(1)式を思い出してください。
フィードバックされる信号電圧（回路発振の元）は一定と仮定します。
インピーダンスを大きくすると，どうなりますか？
電流が小さくなるでしょう？

つまり，「パスコンとRFC(抵抗でもよい）で各増幅段をアイソレートする(信号のフィードバックを遮断）」
というのが，安定した高利得の増幅器を作るテクニックなのです！
パスコンは各段ごとに入れなければなりません。

本来，パスコンはRFCとのセットでお話すべきでした。
この点，お詫びいたします。

その他，なにかご質問がありましたら，ドーゾ・・・

お礼

ご丁寧な回答ありがとうございます。

ただ、やっぱりよく分からない点がありますので教えてください。説明の中にフォードバックや増幅器と出てきますが、各回路は同じ電源電圧に接続されてはいても、お互いに信号のやり取りをしているわけでもないし、各回路は増幅器と言うわけでもありません。（一般的な話なので、特に決まった回路があるわけではありません）
同じ電源電圧に接続されていたら、フィードバック（というか信号の伝達？）されてしまうものと考えればいいのでしょうか？