Fonctionnement des passifs CMS haute fréquence dans un agencement de PCB

Cela ne devrait surprendre personne qui est familier avec la conception à haute vitesse : vos composants passifs CMS à haute fréquence cessent de fonctionner comme prévu une fois que vous dépassez une certaine fréquence. Selon la taille du boîtier, la plage de fonctionnement fiable pour les CMS passe généralement entre 10 MHz et 1 GHz. En général, les condensateurs de taille de boîtier plus petite peuvent fonctionner de manière fiable jusqu'à des fréquences plus élevées en raison d'une ESR plus faible, mais c'est généralement là que se termine l'analyse de ces composants.

Entrent en scène les condensateurs spécifiquement commercialisés pour les produits à haute fréquence. Les condensateurs haute fréquence sont généralement testés et qualifiés à des fréquences beaucoup plus élevées, dans certains cas jusqu'à 10 GHz ou plus. Ces condensateurs diffèrent en termes de matériau diélectrique utilisé dans la conception, leur construction, et bien sûr, leurs parasitiques internes par rapport aux MLCCs. Ces composants ciblent les circuits qui nécessitent des passifs discrets comme alternative à la grande taille des circuits imprimés dans ces gammes de fréquences intermédiaires.

Ici, j'examinerai les composants à haute fréquence, spécifiquement les résistances et les condensateurs qui sont qualifiés pour fonctionner au-dessus de 1 GHz. La morale de l'histoire est, si vous ne trouvez pas de données de test du fabricant prouvant qu'un composant est fiable à haute fréquence, alors il ne devrait pas être utilisé dans une telle application.

Composants SMD haute fréquence et leurs limites d'exploitation

Les composants conçus pour fonctionner à des fréquences élevées, allant de 1 GHz à 10 GHz ou même plus, sont spécifiquement commercialisés à cet effet. Ils auront des données de test et d'évaluation dans la fiche technique qui montrent les plages de fréquences de fonctionnement où les composants sont censés fonctionner correctement. Bien qu'il soit vrai que certains composants qui ne sont pas commercialisés comme des pièces haute fréquence pourraient fonctionner en tant que tel, ceux-ci devraient être qualifiés dans des circuits de test avec des mesures de paramètres S. Au-delà de ces plages de fréquences notées, une résistance ou un condensateur haute fréquence peut encore s'écarter de sa valeur déclarée.

Comme tout composant ou circuit devant fonctionner à haute fréquence, les éléments parasites provoquent une déviation par rapport au comportement idéal du circuit, et les composants haute fréquence ont été spécifiquement qualifiés en présence de certains parasites. Voici quelques domaines typiques où cela pourrait être nécessaire :

• Réseaux d'adaptation d'impédance
• Circuits de filtre discrets
• Amplificateurs haute fréquence
• Diviseurs de puissance
• Jonctions de polarisation

Les composants haute fréquence sont normalement qualifiés sur la base d'arrangements spécifiques de connexions de pads et de pistes, comme illustré dans l'exemple ci-dessous. Dans l'image ci-dessous, les pads sont spécifiquement conçus pour déterminer les valeurs des parasitiques du PCB et de l'emballage dans la plage de fréquence d'intérêt.

Pour cette résistance haute fréquence, les pads, la via, la connexion au plan et la trace vont modifier l'impédance d'entrée en regardant dans le composant à des fréquences très élevées.

Exemple : Résistance Haute Fréquence

Les composants haute fréquence peuvent alors être analysés en utilisant un modèle de circuit équivalent, comme celui montré ci-dessous. Ce modèle de circuit prend en compte le comportement nominal du composant, ainsi que les parasitiques de l'emballage et du PCB, afin que nous puissions mieux comprendre ce qui influence la performance mesurée à haute fréquence. Dans l'image ci-dessous, le modèle de circuit est extrait de la fiche technique pour une résistance haute fréquence (numéro de pièce FC0402E50R0BSWS).

Le modèle de circuit peut être utilisé pour comprendre et interpréter les mesures directes de la performance d'un composant en fonction de la fréquence. Par exemple, regardez le graphique de résistance pour le numéro de pièce mentionné ci-dessus. Ce graphique montre la variation de la valeur mesurée par rapport à la valeur nominale sous forme de ratio. À une certaine fréquence proche de 10 GHz, la résistance réelle (vraiment l'impédance d'entrée) de ce composant peut s'écarter significativement de la résistance nominale pour cette famille de numéros de pièce.

Cet ensemble de données pour un composant haute fréquence vous aide à qualifier la performance du composant dans sa plage de fréquences nominale. Ceci n'est qu'un exemple des données qui seraient nécessaires pour comprendre comment un composant se comporte à différentes fréquences. D'autres composants ou groupes de numéros de pièce peuvent avoir différentes manières d'afficher ces données, telles que des graphiques d'impédance et de réactance ou des données de paramètres S.

Exemple : Condensateur Haute Fréquence

Les condensateurs utilisés pour les circuits haute fréquence sont limités par leur fréquence de résonance propre, tout comme c'est le cas lorsque des condensateurs sont sélectionnés pour des CI numériques. Les données de paramètres S peuvent être utilisées comme critère pour déterminer si un certain condensateur est utile dans une certaine plage parce que, lorsque le condensateur est placé en configuration dérivation, le condensateur agit comme un filtre passe-bas jusqu'à sa fréquence de résonance. Malheureusement, la plupart des fiches techniques de condensateurs ne montrent pas les données dans ce format, même si la pièce est commercialisée pour une utilisation haute fréquence/RF.

Au lieu de cela, la fréquence de résonance propre peut toujours être utilisée comme le facteur déterminant le moment où un condensateur cesse de se comporter comme un condensateur et commence à se comporter comme une inductance. Un exemple de données de fréquence de résonance propre pour le numéro de pièce de condensateur haute fréquence 3456 est présenté ci-dessous. Ces données peuvent être comprises en utilisant le modèle de circuit RLC série standard pour un condensateur réel. Vous pourriez également convertir ces données en un graphique de perte d'insertion si nécessaire (numéro de pièce : 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Comment utiliser les données ci-dessus

Les exemples ci-dessus montrent deux façons possibles d'afficher les données de performance pour les composants haute fréquence. Leur utilisation dépend exactement de ce qui est affiché. Par exemple :

• Pour un graphique de rapport, vous connaîtrez directement la valeur de la résistance ou de l'impédance, vous pourrez donc immédiatement voir la valeur du passif à votre fréquence cible.

• Pour un graphique de perte d'insertion, de perte de retour ou de fréquence de résonance propre, l'impédance peut être calculée, mais cela nécessite ensuite un second calcul pour obtenir la valeur du passif à votre fréquence cible.

Si vous souhaitez utiliser les composants dans une simulation, il est recommandé d'utiliser le modèle de circuit montré ci-dessus car cela permettra de capturer de manière raisonnablement précise le comportement électrique du composant. Si vous disposez des données S-paramètre, une meilleure option consiste à extraire les S-paramètres juste pour les composants, bien que cela puisse être difficile à dériver d'une fiche technique.

Certains fabricants de composants fournissent des modèles de simulation pour leurs composants afin que vous puissiez les utiliser dans une simulation SPICE pour votre circuit RF. Bien sûr, vous devrez également incorporer des modèles pour les lignes de transmission qui se connectent à un composant afin de comprendre pleinement le comportement de vos circuits RF.

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