Come Funzionano i Passivi SMD ad Alta Frequenza in un Layout di PCB

Non dovrebbe sorprendere nessuno che sia familiare con il design ad alta velocità: i tuoi componenti passivi SMD ad alta frequenza smettono di funzionare come previsto una volta superata una certa frequenza. A seconda delle dimensioni del case, l'intervallo operativo affidabile per gli SMD termina da qualche parte tra i 10 MHz e 1 GHz. In generale, i condensatori con dimensioni di case più piccole possono funzionare in modo affidabile fino a frequenze più alte a causa di un ESR più basso, ma tipicamente qui termina l'analisi di questi componenti.

Entrano in gioco i condensatori che sono specificamente commercializzati per prodotti ad alta frequenza. I condensatori ad alta frequenza sono generalmente testati e qualificati a frequenze molto più alte, in alcuni casi fino a 10 GHz o più. Questi condensatori differiscono in termini di materiale dielettrico utilizzato nel design, la loro costruzione e, ovviamente, i loro parassiti interni rispetto agli MLCC. Questi componenti si rivolgono a circuiti che richiedono passivi discreti come alternativa alla grande dimensione dei circuiti stampati in questi intervalli di frequenza intermedi.

Qui, esaminerò i componenti ad alta frequenza, specificamente resistori e condensatori che sono qualificati per funzionare sopra 1 GHz. La morale della storia è, se non riesci a trovare dati di test del produttore che provino l'affidabilità di un componente ad alte frequenze, allora non dovrebbe essere utilizzato in tale applicazione.

Componenti SMD ad Alta Frequenza e i Loro Limiti Operativi

I componenti progettati per operare ad alte frequenze, che vanno da 1 GHz a 10 GHz o anche superiori, sono commercializzati specificamente per questo scopo. Avranno dati di test e valutazione nel datasheet che mostrano le gamme di frequenza operative in cui si prevede che i componenti funzionino correttamente. Sebbene sia vero che alcuni componenti che non sono commercializzati come parti ad alta frequenza potrebbero funzionare come tali, questi dovrebbero essere qualificati in circuiti di test con misurazioni dei parametri S. Oltre queste gamme di frequenza nominali, una resistenza o un condensatore ad alta frequenza potrebbero comunque deviare dal loro valore dichiarato.

Come qualsiasi componente o circuito che necessita di operare ad alta frequenza, gli elementi parassiti causano deviazioni dal comportamento ideale del circuito, e i componenti ad alta frequenza sono stati qualificati specificamente in presenza di alcuni parassiti. Alcune aree tipiche in cui ciò potrebbe essere necessario includono:

• Reti di adattamento dell'impedenza
• Circuiti di filtro discreti
• Amplificatori ad alta frequenza
• Divisori di potenza
• Collettori di polarizzazione

I componenti ad alta frequenza sono normalmente qualificati sulla base di specifici arrangiamenti di connessione di pad e tracce come illustrato nell'esempio sottostante. Nell'immagine qui sotto, i pad sono specificamente progettati per determinare i valori dei parassiti PCB e del packaging nella gamma di frequenza di interesse.

Per questa resistenza ad alta frequenza, i pad, il via, la connessione al piano e la traccia modificheranno l'impedenza in ingresso osservata nel componente a frequenze molto alte.

Esempio: Resistore ad Alta Frequenza

I componenti ad alta frequenza possono quindi essere analizzati utilizzando un modello di circuito equivalente, come quello mostrato di seguito. Questo modello di circuito tiene conto del comportamento nominale del componente, così come del packaging e delle parassiticità della PCB, in modo che possiamo comprendere meglio quali fattori influenzano le prestazioni misurate ad alte frequenze. Nell'immagine qui sotto, il modello di circuito è preso dal datasheet per una resistenza ad alta frequenza (numero di parte FC0402E50R0BSWS).

Il modello di circuito può essere utilizzato per comprendere e interpretare le misurazioni dirette delle prestazioni di un componente in funzione della frequenza. Ad esempio, osserviamo il grafico della resistenza per il numero di parte sopra menzionato. Questo grafico mostra la variazione nel valore misurato rispetto al valore nominale come rapporto. A una certa frequenza vicina ai 10 GHz, l'effettiva resistenza (in realtà l'impedenza in ingresso) di questo componente può deviare significativamente dalla resistenza nominale per questa famiglia di numeri di parte.

Questo set di dati per un componente ad alta frequenza ti aiuta a qualificare le prestazioni del componente all'interno del suo intervallo di frequenza nominale. Questo è solo un esempio dei dati che sarebbero necessari per comprendere come un componente si comporta a varie frequenze. Altri componenti o gruppi di numeri di parte possono avere modi diversi per visualizzare questi dati, come ad esempio con grafici di impedenza e reattanza o con dati S-parametro.

Esempio: Condensatore ad Alta Frequenza

I condensatori utilizzati per circuiti ad alta frequenza sono limitati dalla loro frequenza di risonanza autonoma, proprio come avviene quando i condensatori sono selezionati per i circuiti integrati digitali. I dati S-parametro possono essere utilizzati come metrica per determinare se un certo condensatore è utile in un certo intervallo perché, quando il condensatore è collocato in configurazione shunt, agisce come un filtro passa-basso fino alla sua frequenza di risonanza. Sfortunatamente, la maggior parte dei datasheet dei condensatori non mostra dati in questo formato, anche se la parte è commercializzata per uso ad alta frequenza/RF.

Invece, la frequenza di risonanza propria può ancora essere utilizzata come fattore determinante per stabilire quando un condensatore smette di comportarsi come un condensatore e inizia invece ad agire come un induttore. Un esempio di dati sulla frequenza di risonanza propria per il componente di un condensatore ad alta frequenza con numero di parte 3456 è mostrato di seguito. Questi dati possono essere compresi utilizzando il modello standard di circuito RLC in serie per un condensatore reale. È possibile anche convertire questi dati in un grafico di perdita di inserzione come necessario (numero di parte: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Come Utilizzare i Dati Sopra

Gli esempi sopra mostrano due possibili modi in cui i dati di prestazione per componenti ad alta frequenza possono essere visualizzati. Il loro utilizzo dipende esattamente da ciò che viene mostrato. Ad esempio:

• Per un grafico a rapporto, conoscerai direttamente il valore della resistenza o dell'impedenza, quindi potrai immediatamente vedere il valore del passivo alla tua frequenza target.

• Per un grafico di perdita di inserzione, perdita di ritorno o frequenza di risonanza propria, l'impedenza può essere calcolata, ma ciò richiede poi un secondo calcolo per ottenere il valore del passivo alla tua frequenza target.

Se vuoi utilizzare i componenti in una simulazione, si raccomanda di utilizzare il modello di circuito mostrato sopra poiché questo catturerà in modo abbastanza accurato il comportamento elettrico del componente. Se hai i dati degli S-parametri, un'opzione migliore è quella di estrarre gli S-parametri solo per i componenti, anche se questo può essere difficile da derivare da un datasheet.

Alcuni produttori di componenti forniscono modelli di simulazione per i loro componenti in modo che tu possa utilizzarli in una simulazione SPICE per il tuo circuito RF. Naturalmente, dovrai anche incorporare modelli per le linee di trasmissione che si collegano a un componente per comprendere pienamente il comportamento dei tuoi circuiti RF.

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