Cómo funcionan los pasivos SMD de alta frecuencia en un diseño de PCB

Esto no debería sorprender a nadie familiarizado con diseño de alta velocidad: tus componentes pasivos SMD de alta frecuencia dejan de funcionar como se espera una vez que superas cierta frecuencia. Dependiendo del tamaño del caso, el rango operativo confiable para SMD llega a su límite en algún punto entre 10 MHz y 1 GHz. En general, los capacitores de tamaño de caso más pequeño pueden operar de manera confiable hasta frecuencias más altas debido a un ESR más bajo, pero típicamente aquí es donde termina el análisis de estos componentes.

Entren los capacitores que están específicamente comercializados para productos de alta frecuencia. Los capacitores de alta frecuencia generalmente son probados y calificados a frecuencias mucho más altas, en algunos casos hasta 10 GHz o más. Estos capacitores difieren en términos del material dieléctrico utilizado en el diseño, su construcción y, por supuesto, sus parásitos internos en comparación con los MLCCs. Estos componentes apuntan a circuitos que requieren pasivos discretos como una alternativa al gran tamaño de los circuitos impresos en estos rangos de frecuencia intermedia.

Aquí, examinaré componentes de alta frecuencia, específicamente resistencias y capacitores que están calificados para operar por encima de 1 GHz. La moraleja de la historia es, si no puedes encontrar datos de prueba del fabricante que prueben que un componente es confiable a altas frecuencias, entonces no debería utilizarse en tal aplicación.

Pasivos SMD de Alta Frecuencia y Sus Límites Operativos

Los componentes diseñados para operar en altas frecuencias, que van desde 1 GHz hasta 10 GHz o incluso más, se comercializan específicamente para este propósito. Tendrán datos de prueba y evaluación en la hoja de datos que muestran los rangos de frecuencia operativa donde se espera que los componentes funcionen correctamente. Si bien es cierto que algunos componentes que no se comercializan como partes de alta frecuencia podrían funcionar como tales, estos deben ser calificados en circuitos de prueba con mediciones de parámetros S. Más allá de estos rangos de frecuencia calificados, una resistencia o capacitor de alta frecuencia todavía puede desviarse de su valor declarado.

Como cualquier componente o circuito que necesita operar a alta frecuencia, los elementos parásitos causan desviación del comportamiento ideal del circuito, y los componentes de alta frecuencia han sido calificados específicamente en presencia de algunos parásitos. Algunas áreas típicas donde esto podría ser necesario incluyen:

• Redes de adaptación de impedancia
• Circuitos de filtro discretos
• Amplificadores de alta frecuencia
• Divisores de potencia
• Uniones de polarización

Los componentes de alta frecuencia normalmente se califican basados en arreglos específicos de conexión de almohadillas y trazas como se ilustra en el ejemplo a continuación. En la imagen a continuación, las almohadillas están diseñadas específicamente para determinar los valores de los parásitos de PCB y embalaje en el rango de frecuencia de interés.

Para esta resistencia de alta frecuencia, los pads, el via, la conexión a plano y la traza alterarán la impedancia de entrada observada en el componente a frecuencias muy altas.

Ejemplo: Resistencia de Alta Frecuencia

Los componentes de alta frecuencia pueden entonces analizarse utilizando un modelo de circuito equivalente, como el que se muestra a continuación. Este modelo de circuito tiene en cuenta el comportamiento nominal del componente, así como el embalaje y las parasitarias de la PCB, para que podamos entender mejor qué influye en el rendimiento medido a altas frecuencias. En la imagen a continuación, el modelo de circuito se toma de la hoja de datos para una resistencia de alta frecuencia (número de parte FC0402E50R0BSWS).

El modelo de circuito se puede utilizar para entender e interpretar mediciones directas del rendimiento de un componente como función de la frecuencia. Por ejemplo, mire el gráfico de resistencia para el número de parte mencionado anteriormente. Este gráfico muestra la variación en el valor medido desde el valor nominal como una proporción. A una frecuencia cercana a 10 GHz, la resistencia real (realmente la impedancia de entrada) de este componente puede desviarse significativamente de la resistencia nominal para esta familia de números de parte.

Este conjunto de datos para un componente de alta frecuencia le ayuda a calificar el rendimiento del componente dentro de su rango de frecuencia nominal. Este es solo un ejemplo de los datos que serían necesarios para entender cómo un componente se desempeña a varias frecuencias. Otros componentes o grupos de números de parte pueden tener diferentes maneras de mostrar estos datos, como con gráficos de impedancia y reactancia o con datos de parámetros S.

Ejemplo: Capacitor de Alta Frecuencia

Los capacitores utilizados para circuitos de alta frecuencia están limitados por su frecuencia de resonancia propia, tal como ocurre cuando se seleccionan capacitores para ICs digitales. Los datos de parámetros S pueden utilizarse como la métrica para determinar si un cierto capacitor es útil en un cierto rango porque, cuando el capacitor se coloca en configuración en paralelo, actúa como un filtro de paso bajo hasta su frecuencia de resonancia. Desafortunadamente, la mayoría de las hojas de datos de los capacitores no muestran datos en este formato, incluso si la parte está comercializada para uso de alta frecuencia/RF.

En cambio, la frecuencia de resonancia propia todavía puede utilizarse como el factor que determina cuándo un capacitor deja de comportarse como un capacitor y comienza a actuar como un inductor. A continuación, se muestra un ejemplo de datos de frecuencia de resonancia propia para el número de parte de capacitor de alta frecuencia 3456. Estos datos pueden entenderse utilizando el modelo de circuito RLC en serie estándar para un capacitor real. También podrías convertir estos datos en un gráfico de pérdida de inserción según sea necesario (número de parte: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Cómo utilizar los datos anteriores

Los ejemplos anteriores muestran dos posibles formas en que se pueden mostrar los datos de rendimiento para componentes de alta frecuencia. Cómo se utilizan depende exactamente de lo que se esté mostrando. Por ejemplo:

• Para un gráfico de relación, conocerás el valor de la resistencia o impedancia directamente, por lo que puedes ver inmediatamente el valor del pasivo en tu frecuencia objetivo.

• Para un gráfico de pérdida de inserción, pérdida de retorno o frecuencia de resonancia propia, la impedancia puede calcularse, pero esto luego requiere un segundo cálculo para obtener el valor del pasivo en tu frecuencia objetivo.

Si desea utilizar los componentes en una simulación, se recomienda que utilice el modelo de circuito mostrado arriba, ya que esto capturará de manera razonablemente precisa el comportamiento eléctrico del componente. Si tiene los datos de parámetros S, una mejor opción es extraer los parámetros S solo para los componentes, aunque esto puede ser difícil de derivar de una hoja de datos.

Algunos fabricantes de componentes proporcionan modelos de simulación para sus componentes para que pueda usar estos en una simulación SPICE para su circuito RF. Por supuesto, también necesitará incorporar modelos para las líneas de transmisión que se conectan a un componente para entender completamente el comportamiento de sus circuitos RF.

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