Selbstresonanzfrequenz und Auswahl von Hochfrequenzkondensatoren

Mit immer mehr Anwendungen, die mit höheren Frequenzen betrieben werden, und digitalen Geräten, die auf noch höhere Flankensteilheiten eingestellt sind, verhalten sich verschiedene Teile Ihres Systems möglicherweise nicht auf ideale Weise. Kondensatoren, die zur Sicherstellung der Leistungsintegrität und für den Einsatz in verschiedenen Schaltungen mit diskreten Komponenten verwendet werden, verhalten sich in einem bestimmten Frequenzbereich nicht wie echte Kondensatoren. In diesem Zusammenhang müssen Sie den richtigen Kondensator für Anwendungen mit sehr hoher Geschwindigkeit/Hochfrequenz auswählen.

Was macht einen Hochfrequenzkondensator aus?

Das gesamte Ziel bei der Auswahl eines Kondensators besteht darin, sicherzustellen, dass er sich so nah wie möglich an einem echten Kondensator verhält. Echte Kondensatoren haben parasitären Widerstand (genannt effektiver Serienwiderstand oder ESR) und parasitäre Induktivität (genannt effektive Serieninduktivität oder ESL). Kondensatoren haben auch einen gewissen Leckwiderstand über die beiden Platten im Kondensator, aber dieser ist im Allgemeinen groß genug, dass er in Hochfrequenzanwendungen, insbesondere bei der Arbeit mit großen Kondensatoren, ignoriert werden kann.

Was bedeutet das also für Ihre Kondensatoren? Im Wesentlichen bedeutet es, dass jeder Kondensator wirklich ein Serien-RLC-Schaltkreis ist. Das bedeutet, er hat eine bestimmte Resonanzfrequenz, wenn er mit einem periodischen Signal betrieben wird. Bei niedriger Frequenz ist die Impedanz, die durch den Kondensator bereitgestellt wird, dominant, und Ihr Kondensator wird sich nahezu ideal verhalten. Bei ausreichend hoher Frequenz übernimmt der ESL-Wert, und die Impedanz beginnt induktiv zu erscheinen. Dies erzeugt einen Effekt, der als Selbstresonanz bei genau der richtigen Frequenz bekannt ist.

Äquivalentes Modell eines Hochfrequenzkondensators.

Dies bedeutet, dass das wichtige Merkmal, das verschiedene Kondensatoren für unterschiedliche Frequenzbereiche unterscheidet, die Selbstresonanzfrequenz des Kondensators ist. Bei dieser bestimmten Frequenz wird der Kondensator seine minimale Impedanz und eine sehr starke Stromreaktion zeigen.

Für PCBs, die mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Frequenzen betrieben werden, wird die Auswahl der Kondensatoren sehr wichtig. Bei Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalen sollten Kondensatoren so ausgewählt werden, dass sie eine ideale kapazitive Impedanz bis zur Knie-Frequenz des Signals haben (0,35 geteilt durch die 10%-90% Anstiegszeit). Mit anderen Worten, die Selbstresonanzfrequenz sollte größer als die Knie-Frequenz sein. Bei Hochfrequenz-Analogsignalen sollten alle Kondensatoren so gewählt werden, dass die relevanten Frequenzen im System niedriger als die Selbstresonanzfrequenz sind.

Dies ist aus einem Designaspekt wichtig, da Sie benötigen, dass sich Ihre Kondensatoren wie ideale Schaltungselemente verhalten, sonst könnten Sie die Kapazität, die Sie in einer bestimmten Schaltung bereitstellen, falsch berechnen. Es ist auch wichtig aus einem Aspekt der Leistungsintegrität und Signalintegrität. Kondensatoren, die für Bypassing/Entkopplung verwendet werden, sollen Leistungsschwankungen und Klingeln in einem Strombus oder Signalweg unterdrücken, wenn Transistoren schalten, aber ein falsch dimensionierter Kondensator kann Klingeln aufgrund von Selbstresonanz erzeugen, anstatt es zu unterdrücken.

Einige Hochfrequenzkondensatoren für Ihr nächstes Design

Zusätzlich zu den standardmäßigen Auswahlkriterien für Kondensatoren sollten Sie sich darauf konzentrieren, die Eigenresonanzfrequenz eines in Frage kommenden Kondensators zu finden, falls diese in einem Datenblatt aufgeführt ist. Wenn Sie diesen Wert in Ihrem Datenblatt nicht finden können, sollten Sie zumindest die ESR- und ESL-Werte ermitteln. Sie können dann schnell die Eigenresonanzfrequenz für einen Serien-RLC-Kreis mit diesen Werten berechnen (ignorieren Sie den Leckwiderstand der Einfachheit halber):

Eigenresonanzfrequenz eines Kondensators.

Sobald Sie die verschiedenen Spezifikationen ermittelt haben, können Sie die obige Gleichung verwenden, um schnell zu überprüfen, ob ein gegebener Kondensator eine ausreichend hohe Eigenresonanzfrequenz aufweisen wird. Sie können mehr über die richtige Dimensionierung für Bypass-/Entkopplungskondensatoren in diesem Artikel lesen.

Einige andere wichtige Aspekte, die zu berücksichtigen sind:

• ESR-Frequenzstabilität: Da ESR ein parasitärer Effekt ist, kann er auch eine Funktion der Frequenz sein. Dies wird in gewissem Maße die Form der gemessenen Impedanzkurve des Kondensators beeinflussen. Dies wird auch die Dimensionierung in einigen sehr hochfrequenten Anwendungen beeinflussen.
• Oberflächenmontage vs. Durchsteckmontage: Dies wird bei Mikrowellen und höheren Frequenzen extrem wichtig. Der Pin eines Durchsteckkondensators kann bei extrem hohen Frequenzen (mmWelle) wie ein starker Resonator wirken, was bedeutet, dass er stark wie eine Antenne strahlen wird. Behalten Sie dies im Hinterkopf.
• Temperatur- und Spannungsstabilität: Kapazität (und alle anderen Bewertungen) können sich mit dem Eingangsspannungspegel und der Temperatur ändern.
• Erste Serienresonanz (FSR) und erste Parallelresonanz (FPR): Dies sind die niedrigsten bewerteten Frequenzwerte, bei denen S11 und S21 für den betreffenden Kondensator bewertet werden.

Hier sind zwei ausgezeichnete Sätze von Hochfrequenzkondensatoren, die ideal für Anwendungen im GHz-Bereich sind:

American Technical Ceramics MLCCs (1-50 GHz)

Die 600er Serie von keramischen Mehrlagenkondensatoren von American Technical Ceramics eignet sich ideal für den Einsatz in den niedrigen bis mittleren GHz-Bereichen. Diese Kondensatoren sind SMT-Komponenten mit stabilen Kapazitätswerten im Bereich von 0,1-100 pF.

Daten zur Eigenresonanzfrequenz für die ATC 600 Serie, aus dem Datenblatt.

AVX UQ Serie (1-10 GHz) und Accu-P Serie (4-20 GHz)

Die UQ-Serie Kondensatoren von AVX sind ideal für kommende 5G-Systeme und Handgeräte. Die Accu-P-Serie von Dünnfilmkondensatoren eignet sich ideal für Geräte, die in zukünftigen 5G-Bändern und im Nahbereichs-Automobilradar arbeiten. Weitere Anwendungen umfassen Satelliten- und medizinische Geräte. Diese Kondensatoren sind SMT-Komponenten mit stabilen Kapazitätswerten im Bereich von 0,1-100 pF.

Struktur des Accu-P Dünnfilm-Hochfrequenzkondensators, aus dem Accu-P Datenblatt.

Der Katalog von Octopart enthält eine riesige Auswahl an Kondensatoren und anderen passiven Komponenten für jede Anwendung. Wenn Sie unsicher sind, welchen Hochfrequenzkondensator Sie benötigen, versuchen Sie unseren Part Selector Guide zu verwenden, um die beste Option für Ihr nächstes Produkt zu bestimmen.

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