自己共振周波数と高周波コンデンサの選択

高周波で動作するアプリケーションが増え、デジタルデバイスのエッジレートがさらに高く設定されるにつれて、システムのさまざまな部分が理想的な方法で動作しないことがあります。電力の整合性を保証するために使用され、離散コンポーネントで構築されたさまざまな回路で使用されるキャパシタは、特定の周波数範囲では実際のキャパシタとして動作しません。このことを念頭に置いて、非常に高速/高周波アプリケーション用の適切なキャパシタを選択する必要があります。

高周波キャパシタとは何か？

キャパシタを選択する際の全体的な目標は、それができるだけ実際のキャパシタとして動作することを確認することです。実際のキャパシタには寄生抵抗（有効直列抵抗、またはESRと呼ばれる）と寄生インダクタンス（有効直列インダクタンス、またはESLと呼ばれる）があります。キャパシタにはキャパシタの2つのプレート間にいくらかの漏れ抵抗もありますが、これは通常、大きなキャパシタを扱う場合、特に高周波アプリケーションでは無視できるほど大きいです。

では、あなたのキャパシタにとってこれは何を意味するのでしょうか？基本的に、すべてのキャパシタは実際には直列RLC回路であるということです。これは、周期的な信号で駆動されたときに、ある共振周波数を持つことを意味します。低周波数では、キャパシタによって提供されるインピーダンスが支配的であり、キャパシタはほぼ理想的な振る舞いを示します。十分に高い周波数では、ESL値が支配的になり、インピーダンスが誘導的に見え始めます。これは、ちょうど適切な周波数で自己共振として知られる効果を生み出します。

高周波キャパシタの等価モデル。

これは、異なる周波数範囲の異なるキャパシタを区別する重要な特性が、キャパシタの自己共振周波数であることを意味します。この特定の周波数で、キャパシタは最小のインピーダンスと非常に強い電流応答を示します。

高速および高周波で動作するPCBの場合、キャパシタの選択が非常に重要になります。高速デジタル信号の場合、キャパシタは信号の膝周波数（0.35を10％-90％立ち上がり時間で割った値）まで理想的なキャパシティブインピーダンスを持つように選択されるべきです。言い換えると、自己共振周波数は膝周波数よりも大きくなければなりません。高周波アナログ信号の場合、システム内の関連周波数が自己共振周波数よりも低いキャパシタを選択すべきです。

これは、特定の回路で提供しているキャパシタンスを誤って計算することがないように、キャパシタが理想的な回路要素のように動作する必要があるという設計の観点から重要です。また、電力の整合性と信号の整合性の観点からも重要です。バイパス/デカップリング用に使用されるキャパシタは、トランジスタが切り替わるときに電源バスまたは信号チェーン内の電力変動とリンギングを抑制することを目的としていますが、サイズが合わないキャパシタは、それを抑制するのではなく、自己共振によってリンギングを生じさせる可能性があります。

次の設計用のいくつかの高周波キャパシタ

標準的なコンデンサ選択基準に加えて、候補となるコンデンサの自己共振周波数をデータシートで確認できる場合は、その周波数に注目するべきです。データシートでこの値を見つけることができない場合は、少なくともESRとESLの値を見つけるべきです。これらの値を使用して、次のようにシリーズRLC回路の自己共振周波数を簡単に計算できます（簡単のためリーク抵抗は無視してください）：

コンデンサの自己共振周波数。

さまざまな仕様を確認したら、上記の方程式を使用して、特定のコンデンサが十分に高い自己共振周波数を持つかどうかを迅速に確認できます。この記事でバイパス/デカップリングコンデンサの適切なサイジングについてさらに読むことができます。

考慮すべき他の重要な側面は以下の通りです：

• ESR周波数安定性：ESRは寄生効果であるため、周波数の関数でもあります。これは、ある程度、コンデンサの測定されたインピーダンス曲線の形状に影響を与えます。これは、非常に高周波のアプリケーションでのサイジングにも影響を与えます。
• 表面実装対スルーホール：これは、マイクロ波およびそれ以上の周波数で非常に重要になります。スルーホールコンデンサのピンは、非常に高い周波数（mmWave）で強力な共振器のように機能し、アンテナのように強く放射することがあります。これを念頭に置いてください。
• 温度および電圧安定性：容量（およびすべての他の定格）は、入力電圧レベルおよび温度によって変化する可能性があります。
• 第一シリーズ共振（FSR）および第一並列共振（FPR）：これらは、問題のコンデンサに対してS11およびS21が定格される最低周波数値です。

GHz範囲のアプリケーションに理想的な、2つの優れた高周波コンデンサセットをここに紹介します：

American Technical Ceramics MLCCs (1-50 GHz)

American Technical Ceramicsの600シリーズのセラミック多層コンデンサは、低～中GHz範囲での使用に理想的です。これらのコンデンサは、0.1-100 pF範囲の安定した容量定格を持つSMTコンポーネントです。

ATC 600シリーズの自己共振周波数データ、データシートより。

AVX UQ Series (1-10 GHz) and Accu-P Series (4-20 GHz)

AVXのUQシリーズキャパシタは、今後の5Gシステムやハンドセットに最適です。薄膜キャパシタのAccu-Pシリーズは、将来の5Gバンドや短距離自動車レーダーで動作するデバイスに理想的です。その他の用途には、衛星や医療機器が含まれます。これらのキャパシタは、0.1-100 pFの範囲で安定した容量評価を持つSMTコンポーネントです。

Accu-P薄膜高周波キャパシタの構造、Accu-Pデータシートより。

Octopartのカタログには、あらゆる用途に対応するキャパシタやその他の受動部品が豊富に含まれています。どの高周波キャパシタが必要かわからない場合は、パーツセレクターガイドを使用して、次の製品に最適なオプションを決定してみてください。

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