Wie hochfrequente SMD-Passive in einem PCB-Layout funktionieren

Es sollte niemanden überraschen, der sich mit Hochgeschwindigkeitsdesign auskennt: Ihre Hochfrequenz-SMD-Passivkomponenten funktionieren nicht mehr wie vorgesehen, sobald Sie eine bestimmte Frequenz überschreiten. Abhängig von der Gehäusegröße liegt der zuverlässige Betriebsbereich für SMD-Passive irgendwo zwischen 10 MHz und 1 GHz. Im Allgemeinen können Kondensatoren mit kleinerem Gehäuse zuverlässig bis zu höheren Frequenzen betrieben werden, da sie einen niedrigeren ESR aufweisen, aber in der Regel endet hier die Analyse dieser Komponenten.

Es kommen Kondensatoren ins Spiel, die speziell für Hochfrequenzprodukte vermarktet werden. Hochfrequenzkondensatoren werden im Allgemeinen bei viel höheren Frequenzen getestet und qualifiziert, in einigen Fällen bis zu 10 GHz oder mehr. Diese Kondensatoren unterscheiden sich in Bezug auf das verwendete Dielektrikum, ihren Aufbau und natürlich ihre internen Parasiten im Vergleich zu MLCCs. Diese Komponenten zielen auf Schaltkreise ab, die diskrete Passive als Alternative zur großen Größe gedruckter Schaltungen in diesen Zwischenfrequenzbereichen benötigen.

Hier werde ich Hochfrequenzkomponenten untersuchen, insbesondere Widerstände und Kondensatoren, die für den Betrieb über 1 GHz qualifiziert sind. Die Moral von der Geschicht ist, wenn Sie keine Testdaten des Herstellers finden können, die beweisen, dass eine Komponente bei hohen Frequenzen zuverlässig ist, dann sollte sie in einer solchen Anwendung nicht verwendet werden.

Hochfrequenz-SMD-Passive und ihre Betriebsgrenzen

Komponenten, die für den Betrieb bei hohen Frequenzen ausgelegt sind, im Bereich von 1 GHz bis 10 GHz oder sogar höher, werden speziell für diesen Zweck vermarktet. Sie verfügen über Test- und Bewertungsdaten im Datenblatt, die die Betriebsfrequenzbereiche anzeigen, in denen die Komponenten ordnungsgemäß funktionieren sollen. Obwohl es wahr ist, dass einige Komponenten, die nicht als Hochfrequenzteile vermarktet werden, als solche funktionieren könnten, sollten diese in Testkreisen mit S-Parameter-Messungen qualifiziert werden. Jenseits dieser bewerteten Frequenzbereiche kann ein Hochfrequenzwiderstand oder -kondensator immer noch von seinem angegebenen Wert abweichen.

Wie jede Komponente oder Schaltung, die bei hoher Frequenz arbeiten muss, verursachen parasitäre Elemente eine Abweichung vom idealen Schaltungsverhalten, und Hochfrequenzkomponenten wurden speziell in Anwesenheit einiger Parasiten qualifiziert. Einige typische Bereiche, in denen dies erforderlich sein könnte, umfassen:

• Impedanzanpassungsnetzwerke
• Diskrete Filterkreise
• Hochfrequenzverstärker
• Leistungsteiler
• Bias-Tees

Hochfrequenzkomponenten werden normalerweise basierend auf spezifischen Pad- und Leiterbahnverbindungsanordnungen qualifiziert, wie im folgenden Beispiel dargestellt. Im Bild unten sind die Pads speziell entworfen, um die Werte der PCB-Parasiten und Verpackung im interessierenden Frequenzbereich zu bestimmen.

Für diesen Hochfrequenzwiderstand werden die Pads, Durchkontaktierungen, die Verbindung zur Ebene und die Leiterbahn die Eingangsimpedanz, die in die Komponente bei sehr hohen Frequenzen blickt, verändern.

Beispiel: Hochfrequenzwiderstand

Hochfrequenzkomponenten können dann mit einem äquivalenten Schaltungsmodell analysiert werden, wie das unten gezeigte. Dieses Schaltungsmodell berücksichtigt das nominelle Verhalten der Komponente sowie die Verpackung und die PCB-Parasiten, sodass wir besser verstehen können, was die gemessene Leistung bei hohen Frequenzen beeinflusst. Im Bild unten wird das Schaltungsmodell aus dem Datenblatt für einen Hochfrequenzwiderstand (Teilenummer FC0402E50R0BSWS) entnommen.

Das Schaltungsmodell kann verwendet werden, um direkte Messungen der Leistung einer Komponente als Funktion der Frequenz zu verstehen und zu interpretieren. Betrachten Sie zum Beispiel das Widerstandsdiagramm für die oben genannte Teilenummer. Dieses Diagramm zeigt eine Variation im gemessenen Wert vom Nennwert als Verhältnis. Bei einer Frequenz in der Nähe von 10 GHz kann der tatsächliche Widerstand (wirklich die Eingangsimpedanz) dieser Komponente erheblich vom Nennwiderstand für diese Teilenummerfamilie abweichen.

Dieser Datensatz für eine Hochfrequenzkomponente hilft Ihnen, die Leistung der Komponente innerhalb ihres bewerteten Frequenzbereichs zu qualifizieren. Dies ist nur ein Beispiel für die Daten, die benötigt werden, um zu verstehen, wie eine Komponente bei verschiedenen Frequenzen funktioniert. Andere Komponenten oder Teilenummergruppen können unterschiedliche Methoden zur Anzeige dieser Daten haben, wie zum Beispiel mit Impedanz- und Reaktanzdiagrammen oder mit S-Parameter-Daten.

Beispiel: Hochfrequenzkondensator

Kondensatoren, die für Hochfrequenzschaltungen verwendet werden, sind durch ihre Eigenresonanzfrequenz begrenzt, genau wie es der Fall ist, wenn Kondensatoren für digitale ICs ausgewählt werden. S-Parameter-Daten können als Maßstab dafür verwendet werden, ob ein bestimmter Kondensator in einem bestimmten Bereich nützlich ist, denn wenn der Kondensator in Shunt-Konfiguration platziert wird, wirkt der Kondensator wie ein Tiefpassfilter bis zu seiner Resonanzfrequenz. Leider zeigen die meisten Datenblätter von Kondensatoren Daten nicht in diesem Format, selbst wenn das Teil für Hochfrequenz-/RF-Anwendungen vermarktet wird.

Stattdessen kann die Eigenresonanzfrequenz immer noch als der Faktor verwendet werden, der bestimmt, wann ein Kondensator aufhört, sich wie ein Kondensator zu verhalten und stattdessen beginnt, sich wie eine Induktivität zu verhalten. Ein Beispiel für Daten zur Eigenresonanzfrequenz für die Hochfrequenz-Kondensator-Teilenummer 3456 wird unten gezeigt. Diese Daten können unter Verwendung des standardmäßigen Serien-RLC-Schaltkreismodells für einen echten Kondensator verstanden werden. Diese Daten könnten auch bei Bedarf in ein Einfügungsdämpfungsdiagramm umgewandelt werden (Teilenummer: 600er Serie, American Technical Ceramics MLCCs).

Wie man die obigen Daten verwendet

Die obigen Beispiele zeigen zwei mögliche Wege, wie Leistungsdaten für Hochfrequenzkomponenten angezeigt werden können. Wie sie verwendet werden, hängt genau davon ab, was angezeigt wird. Zum Beispiel:

• Bei einem Verhältnisdiagramm kennen Sie den Wert des Widerstands oder der Impedanz direkt, sodass Sie sofort den Wert des Passivs bei Ihrer Ziel-Frequenz sehen können.

• Bei einem Diagramm für Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung oder Eigenresonanzfrequenz kann die Impedanz berechnet werden, dies erfordert jedoch eine zweite Berechnung, um den Wert des Passivs bei Ihrer Ziel-Frequenz zu erhalten.

Wenn Sie die Komponenten in einer Simulation verwenden möchten, wird empfohlen, das oben gezeigte Schaltungsmodell zu verwenden, da dies das elektrische Verhalten der Komponente recht genau erfassen wird. Wenn Sie über die S-Parameter-Daten verfügen, ist es eine bessere Option, die S-Parameter nur für die Komponenten zu extrahieren, obwohl dies aus einem Datenblatt schwer abzuleiten sein kann.

Einige Komponentenhersteller stellen Simulationsmodelle für ihre Komponenten zur Verfügung, sodass Sie diese in einer SPICE-Simulation für Ihren HF-Schaltkreis verwenden können. Natürlich müssen Sie auch Modelle für die Übertragungsleitungen, die an eine Komponente angeschlossen sind, einbeziehen, um das Verhalten Ihrer HF-Schaltkreise vollständig zu verstehen.

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