Fréquence de résonance propre et sélection de condensateurs haute fréquence

Avec de plus en plus d'applications fonctionnant à des fréquences plus élevées, et avec des dispositifs numériques configurés pour fonctionner à des taux de transition encore plus élevés, diverses parties de votre système peuvent ne pas se comporter de manière idéale. Les condensateurs utilisés pour assurer l'intégrité de l'alimentation et pour être utilisés dans divers circuits construits avec des composants discrets ne se comporteront pas comme de réels condensateurs dans une certaine gamme de fréquences. Avec cela à l'esprit, vous devrez choisir le bon condensateur pour des applications à très haute vitesse/haute fréquence.

Qu'est-ce qui fait un condensateur haute fréquence ?

L'objectif entier dans le choix d'un condensateur est de s'assurer qu'il se comporte le plus possible comme un vrai condensateur. Les vrais condensateurs ont une résistance parasite (appelée résistance série effective, ou ESR) et une inductance parasite (appelée inductance série effective, ou ESL). Les condensateurs ont également une certaine résistance de fuite à travers les deux plaques du condensateur, mais celle-ci est généralement assez grande pour qu'elle puisse être ignorée dans les applications haute fréquence, surtout lorsqu'on travaille avec de gros condensateurs.

Alors, qu'est-ce que cela signifie pour vos condensateurs ? Essentiellement, cela signifie que chaque condensateur est vraiment un circuit RLC série. Cela signifie qu'il a une certaine fréquence de résonance lorsqu'il est alimenté par un signal périodique. À basse fréquence, l'impédance fournie par le condensateur est dominante, et votre condensateur se comportera de manière presque idéale. À une fréquence suffisamment élevée, la valeur de l'ESL prend le dessus, et l'impédance commence à apparaître inductive. Cela produit un effet connu sous le nom de résonance propre à juste la bonne fréquence.

Modèle équivalent de condensateur haute fréquence.

Cela signifie que la caractéristique importante qui distingue différents condensateurs pour différentes gammes de fréquences est la fréquence de résonance propre du condensateur. À cette fréquence particulière, le condensateur présentera son impédance minimale et une réponse en courant très forte.

Pour les PCBs qui fonctionneront à des vitesses et des fréquences élevées, la sélection des condensateurs devient très importante. Avec la signalisation numérique à haute vitesse, les condensateurs devraient être sélectionnés de manière à avoir une impédance capacitive idéale jusqu'à la fréquence de genou du signal (0,35 divisé par le temps de montée de 10 % à 90 %). En d'autres termes, la fréquence de résonance propre devrait être supérieure à la fréquence de genou. Avec des signaux analogiques à haute fréquence, tous les condensateurs devraient être choisis de sorte que les fréquences pertinentes dans le système soient inférieures à la fréquence de résonance propre.

Cela est important d'un point de vue de conception car vous avez besoin que vos condensateurs agissent comme des éléments de circuit idéaux, sinon vous pourriez mal calculer la capacité que vous fournissez dans un circuit particulier. C'est également important du point de vue de l'intégrité de l'alimentation et de l'intégrité du signal. Les condensateurs utilisés pour le bypass/découplage sont destinés à supprimer les fluctuations de puissance et le bruit dans un bus d'alimentation ou une chaîne de signal lorsque les transistors basculent, mais un condensateur mal dimensionné peut produire du bruit en raison de la résonance propre plutôt que de le supprimer.

Quelques condensateurs haute fréquence pour votre prochaine conception

En plus des critères de sélection standard d'un condensateur, vous devriez vous concentrer sur la localisation de la fréquence de résonance propre d'un condensateur candidat, si elle est indiquée dans une fiche technique. Si vous ne trouvez pas cette valeur dans votre fiche technique, alors vous devriez au moins localiser les valeurs de l'ESR et de l'ESL. Vous pouvez ensuite rapidement calculer la fréquence de résonance propre pour un circuit RLC série en utilisant ces valeurs (ignorez la résistance de fuite pour simplifier) :

Fréquence de résonance propre d'un condensateur.

Une fois que vous avez localisé les différentes spécifications, vous pouvez utiliser l'équation ci-dessus pour vérifier rapidement qu'un condensateur donné aura une fréquence de résonance propre suffisamment élevée. Vous pouvez en savoir plus sur le dimensionnement approprié pour les condensateurs de découplage/bypass dans cet article.

Certains autres aspects importants à considérer sont :

• Stabilité de la fréquence de l'ESR : Comme l'ESR est un effet parasitaire, il peut également être une fonction de la fréquence. Cela affectera dans une certaine mesure la forme de la courbe d'impédance mesurée du condensateur. Cela affectera également le dimensionnement dans certaines applications à très haute fréquence.
• Montage en surface vs à travers le trou : Cela devient extrêmement important à des fréquences micro-ondes et plus élevées. La broche d'un condensateur à travers le trou peut agir comme un résonateur puissant à des fréquences extrêmement élevées (mmWave), ce qui signifie qu'il rayonnera fortement comme une antenne. Gardez cela à l'esprit.
• Stabilité de la température et de la tension : La capacité (et toutes les autres évaluations) peut changer avec le niveau de tension d'entrée et la température.
• Première résonance série (FSR) et première résonance parallèle (FPR) : Ce sont les valeurs de fréquence les plus basses pour lesquelles S11 et S21 sont évalués pour le condensateur en question.

Voici deux excellents ensembles de condensateurs haute fréquence qui sont idéaux pour les applications dans la gamme des GHz :

MLCCs d'American Technical Ceramics (1-50 GHz)

La série 600 de condensateurs multicouches en céramique d'American Technical Ceramics est idéale pour une utilisation dans les gammes de GHz bas à moyen. Ces condensateurs sont des composants SMT avec des évaluations de capacité stables dans la gamme de 0,1-100 pF.

Données de fréquence de résonance propre pour la série 600 ATC, tirées de la fiche technique.

Série UQ d'AVX (1-10 GHz) et série Accu-P (4-20 GHz)

Les condensateurs de la série UQ de chez AVX sont idéaux pour les futurs systèmes et téléphones 5G. La série Accu-P de condensateurs à film mince est idéale pour les appareils fonctionnant dans les futures bandes 5G et pour le radar automobile à courte portée. D'autres applications incluent les dispositifs satellites et médicaux. Ces condensateurs sont des composants SMT avec des valeurs de capacité stables dans la plage de 0,1 à 100 pF.

Structure du condensateur à film mince haute fréquence Accu-P, tirée de la fiche technique Accu-P.

Le catalogue d'Octopart contient une vaste gamme de condensateurs et d'autres composants passifs pour toute application. Si vous n'êtes pas sûr du condensateur haute fréquence dont vous avez besoin, essayez d'utiliser notre guide de sélection de pièces pour déterminer la meilleure option pour votre prochain produit.

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