Frequenza di Risonanza Propria e Selezione di Condensatori ad Alta Frequenza

Con sempre più applicazioni che funzionano ad alte frequenze, e con dispositivi digitali impostati per funzionare a velocità di commutazione ancora più elevate, varie parti del tuo sistema potrebbero non comportarsi in modo ideale. I condensatori utilizzati per garantire l'integrità dell'alimentazione e per l'uso in vari circuiti realizzati con componenti discreti non si comporteranno come veri condensatori in un certo intervallo di frequenze. Tenendo presente ciò, dovrai scegliere il condensatore giusto per applicazioni ad alta velocità/alta frequenza.

Cosa rende un condensatore ad alta frequenza?

L'obiettivo principale nella scelta di un condensatore è assicurarsi che si comporti il più possibile come un vero condensatore. I veri condensatori hanno una resistenza parassita (chiamata resistenza serie efficace, o ESR) e un'induttanza parassita (chiamata induttanza serie efficace, o ESL). I condensatori hanno anche una certa resistenza di perdita tra le due piastre del condensatore, ma questa è generalmente abbastanza grande da poter essere ignorata in applicazioni ad alta frequenza, specialmente quando si lavora con condensatori di grandi dimensioni.

Quindi, cosa significa questo per i tuoi condensatori? Essenzialmente, significa che ogni condensatore è realmente un circuito RLC in serie. Ciò significa che ha una certa frequenza di risonanza quando viene alimentato con un segnale periodico. A bassa frequenza, l'impedenza fornita dal condensatore è dominante, e il tuo condensatore mostrerà un comportamento vicino all'ideale. A frequenza sufficientemente alta, il valore dell'ESL prende il sopravvento, e l'impedenza inizia ad apparire induttiva. Questo produce un effetto noto come auto-risonanza alla giusta frequenza.

Modello equivalente del condensatore ad alta frequenza.

Questo significa che la caratteristica importante che distingue i diversi condensatori per diverse gamme di frequenza è la frequenza di auto-risonanza del condensatore. A questa particolare frequenza, il condensatore mostrerà la sua minima impedenza e una risposta di corrente molto forte.

Per i PCB che opereranno ad alte velocità e alte frequenze, la selezione dei condensatori diventa molto importante. Con la segnalazione digitale ad alta velocità, i condensatori dovrebbero essere selezionati in modo tale da avere un'impedenza capacitiva ideale fino alla frequenza di ginocchio del segnale (0,35 diviso per il tempo di salita dal 10% al 90%). In altre parole, la frequenza di auto-risonanza dovrebbe essere maggiore della frequenza di ginocchio. Con segnali analogici ad alta frequenza, qualsiasi condensatore dovrebbe essere scelto in modo tale che le frequenze rilevanti nel sistema siano inferiori alla frequenza di auto-risonanza.

Questo è importante da un punto di vista progettuale poiché hai bisogno che i tuoi condensatori si comportino come elementi di circuito ideali, altrimenti potresti calcolare erroneamente la capacità che stai fornendo in un particolare circuito. È anche importante da un punto di vista dell'integrità dell'alimentazione e del segnale. I condensatori utilizzati per il bypass/decoupling sono destinati a sopprimere le fluttuazioni di potenza e il ringing in un bus di alimentazione o catena di segnale quando i transistor si commutano, ma un condensatore di dimensioni errate può produrre ringing a causa dell'auto-risonanza piuttosto che sopprimerlo.

Alcuni condensatori ad alta frequenza per il tuo prossimo progetto

Oltre ai criteri standard di selezione dei condensatori, dovresti concentrarti sulla localizzazione della frequenza di autoreisonanza di un condensatore candidato, se è elencata in un datasheet. Se non riesci a trovare questo valore nel tuo datasheet, allora dovresti almeno localizzare i valori di ESR e ESL. Puoi quindi calcolare rapidamente la frequenza di autoreisonanza per un circuito RLC in serie utilizzando questi valori (ignora la resistenza di perdita per semplicità):

Frequenza di autoreisonanza di un condensatore.

Una volta localizzate le varie specifiche, puoi utilizzare l'equazione sopra per verificare rapidamente che un dato condensatore avrà una frequenza di autoreisonanza sufficientemente alta. Puoi leggere di più sulla dimensione appropriata per i condensatori di bypass/decoupling in questo articolo.

Alcuni altri aspetti importanti da considerare sono:

• Stabilità della frequenza ESR: Poiché l'ESR è un effetto parassitario, può anche essere una funzione della frequenza. Questo influenzerà in qualche modo la forma della curva di impedenza misurata del condensatore. Questo influenzerà anche la dimensione in alcune applicazioni ad altissima frequenza.
• Montaggio superficiale vs attraverso foro: Questo diventa estremamente importante a microonde e frequenze superiori. Il perno su un condensatore attraverso foro può agire come un forte risonatore a frequenze estremamente alte (mmWave), il che significa che irradierà fortemente come un'antenna. Tieni presente questo.
• Stabilità della temperatura e della tensione: La capacità (e tutte le altre valutazioni) possono cambiare con il livello di tensione di ingresso e la temperatura.
• Prima risonanza serie (FSR) e prima risonanza parallela (FPR): Questi sono il valore di frequenza nominale più basso a cui sono valutati S11 e S21 per il condensatore in questione.

Ecco due eccellenti serie di condensatori ad alta frequenza che sono ideali per applicazioni nella gamma GHz:

MLCCs di American Technical Ceramics (1-50 GHz)

La serie 600 di condensatori multistrato in ceramica di American Technical Ceramics è ideale per l'uso nelle gamme GHz basse-medie. Questi condensatori sono componenti SMT con valutazioni di capacità stabili nell'intervallo 0.1-100 pF.

Dati sulla frequenza di autoreisonanza per la serie ATC 600, dal datasheet.

Serie UQ di AVX (1-10 GHz) e Serie Accu-P (4-20 GHz)

I condensatori della serie UQ di AVX sono ideali per i prossimi sistemi e dispositivi 5G. La serie di condensatori a film sottile Accu-P è ideale per dispositivi che operano nelle future bande 5G e radar automobilistici a corto raggio. Altre applicazioni includono dispositivi satellitari e medici. Questi condensatori sono componenti SMT con valutazioni di capacità stabili nell'intervallo 0,1-100 pF.

Struttura del condensatore ad alta frequenza a film sottile Accu-P, dal datasheet Accu-P.

Il catalogo di Octopart contiene un'ampia gamma di condensatori e altri componenti passivi per qualsiasi applicazione. Se non sei sicuro di quale condensatore ad alta frequenza ti serve, prova a utilizzare la nostra guida al Selettore di Parti per determinare la migliore opzione per il tuo prossimo prodotto.

Rimani aggiornato con i nostri ultimi articoli iscrivendoti alla nostra newsletter.