Frecuencia de Aut resonancia y Selección de Capacitores de Alta Frecuencia

Con más aplicaciones funcionando a frecuencias más altas, y con dispositivos digitales configurados para funcionar a tasas de flanco aún más altas, varias partes de su sistema pueden no actuar de manera ideal. Los capacitores utilizados para asegurar la integridad de la energía y para su uso en varios circuitos construidos con componentes discretos no actuarán como capacitores reales en cierto rango de frecuencias. Con esto en mente, necesitará elegir el capacitor adecuado para aplicaciones de muy alta velocidad/alta frecuencia.

¿Qué hace a un capacitor de alta frecuencia?

El objetivo completo al elegir un capacitor es asegurarse de que actúe lo más cercano a un capacitor real posible. Los capacitores reales tienen resistencia parásita (llamada resistencia en serie efectiva, o ESR) e inductancia parásita (llamada inductancia en serie efectiva, o ESL). Los capacitores también tienen cierta resistencia de fuga a través de las dos placas en el capacitor, pero esto generalmente es lo suficientemente grande como para que pueda ser ignorado en aplicaciones de alta frecuencia, especialmente cuando se trabaja con capacitores grandes.

Entonces, ¿qué significa esto para sus capacitores? Esencialmente, significa que cada capacitor es realmente un circuito RLC en serie. Esto significa que tiene alguna frecuencia de resonancia cuando se conduce con una señal periódica. A baja frecuencia, la impedancia proporcionada por el capacitor es dominante, y su capacitor exhibirá un comportamiento cercano al ideal. A una frecuencia suficientemente alta, el valor de ESL toma el control, y la impedancia comienza a parecer inductiva. Esto produce un efecto conocido como auto-resonancia en la frecuencia justa.

Modelo equivalente de capacitor de alta frecuencia.

Esto significa que la característica importante que distingue a diferentes capacitores para diferentes rangos de frecuencia es la frecuencia de auto-resonancia del capacitor. En esta frecuencia particular, el capacitor exhibirá su mínima impedancia y una respuesta de corriente muy fuerte.

Para PCBs que operarán a altas velocidades y altas frecuencias, la selección de capacitores se vuelve muy importante. Con señalización digital de alta velocidad, los capacitores deben ser seleccionados de tal manera que tengan una impedancia capacitiva ideal hasta la frecuencia de rodilla de la señal (0.35 dividido por el tiempo de subida del 10%-90%). En otras palabras, la frecuencia de auto-resonancia debe ser mayor que la frecuencia de rodilla. Con señales analógicas de alta frecuencia, cualquier capacitor debe ser elegido de tal manera que las frecuencias relevantes en el sistema sean menores que la frecuencia de auto-resonancia.

Esto es importante desde un aspecto de diseño ya que necesita que sus capacitores actúen como elementos de circuito ideales, de lo contrario podría calcular mal la capacitancia que está proporcionando en un circuito particular. También es importante desde un aspecto de integridad de energía e integridad de señal. Los capacitores utilizados para el bypass/desacoplamiento están destinados a suprimir fluctuaciones de energía y resonancias en un bus de energía o cadena de señal cuando los transistores cambian, pero un capacitor mal dimensionado puede producir resonancias debido a la auto-resonancia en lugar de suprimirlas.

Algunos capacitores de alta frecuencia para su próximo diseño

Además de los criterios de selección estándar de capacitores, deberías enfocarte en localizar la frecuencia de resonancia propia de un capacitor candidato, si está listada en una hoja de datos. Si no puedes encontrar este valor en tu hoja de datos, entonces al menos deberías localizar los valores de ESR y ESL. Luego puedes calcular rápidamente la frecuencia de resonancia propia para un circuito RLC en serie usando estos valores (ignora la resistencia de fuga por simplicidad):

Frecuencia de auto-resonancia de un capacitor.

Una vez que localices las diversas especificaciones, puedes usar la ecuación anterior para verificar rápidamente que un capacitor dado tendrá una frecuencia de auto-resonancia suficientemente alta. Puedes leer más sobre el dimensionamiento adecuado para capacitores de desacople/bypass en este artículo.

Algunos otros aspectos importantes a considerar son:

• Estabilidad de frecuencia del ESR: Como el ESR es un efecto parásito, también puede ser una función de la frecuencia. Esto afectará en cierto grado la forma de la curva de impedancia medida del capacitor. Esto también afectará el dimensionamiento en algunas aplicaciones de muy alta frecuencia.
• Montaje superficial vs montaje a través de orificio: Esto se vuelve extremadamente importante en frecuencias de microondas y superiores. El pin en un capacitor de montaje a través de orificio puede actuar como un resonador fuerte en frecuencias extremadamente altas (mmWave), lo que significa que irradiará fuertemente como una antena. Ten esto en cuenta.
• Estabilidad de temperatura y voltaje: La capacitancia (y todas las demás calificaciones) pueden cambiar con el nivel de voltaje de entrada y la temperatura.
• Primera resonancia en serie (FSR) y primera resonancia paralela (FPR): Estos son el valor de frecuencia nominal más bajo en el que se califican S11 y S21 para el capacitor en cuestión.

Aquí hay dos excelentes conjuntos de capacitores de alta frecuencia que son ideales para aplicaciones en el rango de GHz:

MLCCs de American Technical Ceramics (1-50 GHz)

La serie 600 de capacitores cerámicos multicapa de American Technical Ceramics son ideales para su uso en rangos de GHz bajos a medios. Estos capacitores son componentes SMT con calificaciones de capacitancia estables en el rango de 0.1-100 pF.

Datos de frecuencia de auto-resonancia para la serie ATC 600, del datasheet.

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

Los capacitores de la serie UQ de AVX son ideales para los próximos sistemas y teléfonos 5G. La serie Accu-P de capacitores de película delgada es ideal para dispositivos que operan en futuras bandas 5G y radar automotriz de corto alcance. Otras aplicaciones incluyen dispositivos satelitales y médicos. Estos capacitores son componentes SMT con calificaciones de capacitancia estables en el rango de 0.1-100 pF.

Estructura del capacitor de película delgada de alta frecuencia Accu-P, del datasheet de Accu-P.

El catálogo de Octopart contiene una amplia gama de capacitores y otros componentes pasivos para cualquier aplicación. Si no estás seguro de qué capacitor de alta frecuencia necesitas, intenta usar nuestra guía de Selector de Partes para determinar la mejor opción para tu próximo producto.

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