PCBレイアウトにおける高周波SMDパッシブ部品の動作方法

高速設計に精通している人にとっては驚くべきことではないでしょう：特定の周波数を超えると、高周波SMDパッシブコンポーネントは意図した通りに機能しなくなります。ケースサイズによって異なりますが、SMDパスの信頼できる動作範囲は、10 MHzから1 GHzの間のどこかで頭打ちになります。一般に、小さいケースサイズのキャパシタは、ESRが低いため、より高い周波数まで信頼性高く動作することができますが、これらのコンポーネントの分析は通常、ここで終わります。

ここで、高周波製品向けに特別に市場投入されているキャパシタの登場です。高周波キャパシタは、一般にはるかに高い周波数でテストされ、資格が与えられており、場合によっては10 GHz以上です。これらのキャパシタは、ダイエレクトリック材料の使用、構造、そしてもちろん、MLCCと比較した際の内部パラシティクスにおいて異なります。これらのコンポーネントは、中間周波数範囲でのプリント回路の大きなサイズの代わりとして、離散パッシブが必要な回路を対象としています。

ここでは、1 GHzを超える動作が認定されている高周波コンポーネント、特に抵抗器とキャパシタについて検討します。この話の教訓は、もし高周波で信頼性があることを証明するメーカーのテストデータが見つからない場合、そのようなアプリケーションで使用すべきではないということです。

高周波SMDパッシブ部品とその動作限界

1GHzから10GHz、あるいはそれ以上の高周波で動作するように設計された部品は、この目的のために特に市場に出されています。これらの部品は、データシートにテストおよび評価データがあり、部品が適切に動作すると予想される動作周波数範囲を示しています。高周波部品として市場に出されていない部品でも、Sパラメータ測定を伴うテスト回路で適格化されれば、そのように機能する可能性があるのは事実です。これらの定格周波数範囲を超えると、高周波抵抗器やコンデンサは、公称値から逸脱する可能性があります。

高周波で動作する必要がある任意の部品や回路と同様に、寄生要素が理想的な回路動作からの逸脱を引き起こし、高周波部品は特定の寄生要素の存在下で特に適格化されています。このような適格化が必要とされる典型的な領域には以下のものがあります：

• インピーダンス整合ネットワーク
• 離散フィルタ回路
• 高周波アンプ
• パワーディバイダー
• バイアスT

高周波部品は通常、以下の例で示されるように、特定のパッドおよびトレース接続配置に基づいて適格化されます。下の画像では、パッドは関心のある周波数範囲のPCB寄生要素およびパッケージングの値を決定するように特別に設計されています。

この高周波抵抗器では、パッド、ビア、プレーン接続、およびトレースが、非常に高い周波数でのコンポーネントへの入力インピーダンスを変更します。

例：高周波抵抗器

その後、高周波コンポーネントは、以下に示すような等価回路モデルを使用して分析できます。この回路モデルは、コンポーネントの公称動作だけでなく、パッケージングとPCBの寄生要素も考慮しているため、高周波での測定性能に何が影響するかをよりよく理解できます。下の画像では、回路モデルは高周波抵抗器のデータシートから取られています（部品番号 FC0402E50R0BSWS）。

回路モデルは、周波数の関数としてのコンポーネントの性能の直接測定を理解し解釈するために使用できます。例えば、上記の部品番号についての抵抗グラフを見てください。このグラフは、公称値からの測定値の変動を比率で示しています。10 GHz近くのある周波数で、このコンポーネントの実際の抵抗（実際には入力インピーダンス）は、この部品番号ファミリーの公称抵抗から大きく逸脱する可能性があります。

この高周波コンポーネントのデータセットは、定格周波数範囲内でのコンポーネントの性能を評価するのに役立ちます。これは、コンポーネントがさまざまな周波数でどのように機能するかを理解するために必要なデータの一例に過ぎません。他のコンポーネントや部品番号グループでは、このデータを表示する方法が異なる場合があります。例えば、インピーダンスとリアクタンスのグラフやSパラメータデータを使用する場合があります。

例：高周波キャパシタ

高周波回路用のキャパシタは、デジタルIC用に選択されるキャパシタと同様に、自己共振周波数によって限定されます。特定の範囲で特定のキャパシタが有用かどうかを決定するための指標として、Sパラメータデータが使用される場合があります。なぜなら、キャパシタをシャント構成に配置すると、共振周波数に達するまでキャパシタはローパスフィルタのように機能するからです。残念ながら、ほとんどのキャパシタのデータシートは、部品が高周波/RF用途でマーケティングされている場合であっても、この形式でデータを示していません。

代わりに、自己共振周波数は、コンデンサがコンデンサとしての振る舞いを止め、代わりにインダクタとして振る舞い始める時を決定する要因として依然として使用できます。高周波コンデンサの部品番号3456の自己共振周波数データの例を以下に示します。これらのデータは、実際のコンデンサのための標準的な直列RLC回路モデルを使用して理解することができます。必要に応じて、これらのデータを挿入損失プロットに変換することもできます（部品番号：600シリーズ、アメリカンテクニカルセラミックスMLCCs）。

上記のデータの使用方法

上記の例は、高周波コンポーネントの性能データが表示される2つの可能な方法を示しています。それがどのように使用されるかは、正確に何が表示されているかによります。例えば：

• 比率グラフの場合、抵抗またはインピーダンスの値を直接知ることができるので、目標周波数での受動部品の値をすぐに確認できます。

• 挿入損失、戻り損失、または自己共振周波数グラフの場合、インピーダンスは計算できますが、これには目標周波数での受動部品の値を得るために2回目の計算が必要になります。

シミュレーションでコンポーネントを使用したい場合は、上記に示された回路モデルを使用することをお勧めします。これにより、コンポーネントの電気的挙動をかなり正確に捉えることができます。Sパラメータデータをお持ちの場合は、コンポーネントのみのSパラメータを抽出する方が良い選択肢になりますが、データシートからこれを導出するのは難しいかもしれません。

一部のコンポーネントメーカーは、RF回路のSPICEシミュレーションで使用できるように、コンポーネントのシミュレーションモデルを提供しています。もちろん、RF回路の挙動を完全に理解するためには、コンポーネントに接続する伝送線のモデルも組み込む必要があります。

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