PCB 레이아웃에서 고주파 SMD 패시브 부품이 작동하는 방식

고속 설계에 익숙한 사람이라면 놀라운 일이 아닐 것입니다: 특정 주파수 이상으로 올라가면 고주파 SMD 수동 부품이 의도한 대로 기능하지 않게 됩니다. 케이스 크기에 따라 SMD의 신뢰할 수 있는 작동 범위는 대략 10 MHz에서 1 GHz 사이에서 최고점에 도달합니다. 일반적으로, 작은 케이스 크기의 커패시터는 낮은 ESR 때문에 더 높은 주파수까지 안정적으로 작동할 수 있지만, 이러한 부품의 분석은 보통 여기서 끝나곤 합니다.

고주파 제품을 위해 특별히 마케팅되는 커패시터를 소개합니다. 고주파 커패시터는 일반적으로 훨씬 높은 주파수에서 테스트되고 검증되며, 경우에 따라서는 10 GHz 이상까지도 가능합니다. 이러한 커패시터는 설계에 사용된 유전체 재료, 구조, 그리고 MLCC와 비교했을 때의 내부 기생성분 등에서 차이가 있습니다. 이러한 부품은 중간 주파수 범위에서 인쇄 회로의 큰 크기를 대체할 수 있는 이산 수동 부품이 필요한 회로를 대상으로 합니다.

여기서, 1 GHz 이상에서 작동하는 것으로 검증된 고주파 부품, 특히 저항기와 커패시터를 살펴보겠습니다. 이야기의 교훈은, 제조업체의 테스트 데이터가 부품이 고주파에서 신뢰할 수 있음을 증명하지 못한다면, 그러한 용도로 사용해서는 안 된다는 것입니다.

고주파 SMD 패시브 부품과 그 운용 한계

1GHz에서 10GHz 또는 그 이상의 고주파에서 작동하도록 설계된 부품은 이 목적을 위해 특별히 시장에 출시됩니다. 이러한 부품은 데이터시트에 테스트 및 평가 데이터를 가지고 있으며, 부품이 제대로 작동할 것으로 예상되는 운용 주파수 범위를 보여줍니다. 고주파 부품으로 마케팅되지 않은 일부 부품이 고주파로 기능할 수 있다는 것이 사실이지만, 이러한 부품은 S-파라미터 측정이 있는 테스트 회로에서 자격을 갖추어야 합니다. 이러한 평가된 주파수 범위를 넘어서면, 고주파 저항기나 커패시터는 여전히 명시된 값에서 벗어날 수 있습니다.

고주파에서 작동해야 하는 모든 부품이나 회로와 마찬가지로, 기생 요소는 이상적인 회로 동작에서의 편차를 일으키며, 고주파 부품은 일부 기생 요소의 존재 하에서 특별히 자격을 갖추었습니다. 이러한 것이 필요할 수 있는 몇 가지 전형적인 영역은 다음과 같습니다:

• 임피던스 매칭 네트워크
• 이산 필터 회로
• 고주파 증폭기
• 전력 분배기
• 바이어스 티

고주파 부품은 일반적으로 아래 예시에서 보여지는 것처럼 특정 패드 및 트레이스 연결 배열을 기반으로 자격을 갖춥니다. 아래 이미지에서, 패드는 관심 있는 주파수 범위에서 PCB 기생성분 및 패키징의 값을 결정하기 위해 특별히 설계되었습니다.

이 고주파 저항기의 경우, 패드, 비아, 평면 연결, 그리고 트레이스는 매우 높은 주파수에서 구성 요소를 바라보는 입력 임피던스를 변경할 것입니다.

예시: 고주파 저항기

그런 다음 고주파 구성 요소는 아래에 표시된 것과 같은 등가 회로 모델을 사용하여 분석할 수 있습니다. 이 회로 모델은 구성 요소의 명목상 동작뿐만 아니라 포장 및 PCB 기생 요소를 고려하여 고주파수에서 측정된 성능에 미치는 영향을 더 잘 이해할 수 있도록 합니다. 아래 이미지에서, 회로 모델은 고주파 저항기의 데이터시트에서 가져온 것입니다(부품 번호 FC0402E50R0BSWS).

회로 모델은 주파수의 함수로 구성 요소의 성능을 직접 측정하여 이해하고 해석하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 위에서 언급한 부품 번호에 대한 저항 그래프를 살펴보십시오. 이 그래프는 명목값에서 측정된 값의 변화를 비율로 보여줍니다. 10 GHz 근처의 어떤 주파수에서, 이 구성 요소의 실제 저항(정확히는 입력 임피던스)은 이 부품 번호 계열의 명목 저항과 상당히 다를 수 있습니다.

이 고주파 구성 요소에 대한 데이터 세트는 해당 구성 요소의 성능을 정격 주파수 범위 내에서 자격을 부여하는 데 도움이 됩니다. 이것은 구성 요소가 다양한 주파수에서 어떻게 수행되는지 이해하기 위해 필요한 데이터의 한 예일 뿐입니다. 다른 구성 요소나 부품 번호 그룹은 임피던스 및 리액턴스 그래프 또는 S-파라미터 데이터와 같은 다른 방식으로 이 데이터를 표시할 수 있습니다.

예시: 고주파 커패시터

고주파 회로에 사용되는 커패시터는 디지털 IC를 선택할 때와 마찬가지로 자체 공진 주파수에 의해 제한됩니다. 특정 커패시터가 특정 범위에서 유용한지 여부를 결정하는 척도로 S-파라미터 데이터를 사용할 수 있습니다. 왜냐하면 커패시터가 병렬 구성에 배치될 때 커패시터는 공진 주파수에 도달할 때까지 저역 통과 필터처럼 작동하기 때문입니다. 불행히도 대부분의 커패시터 데이터시트는 부품이 고주파/RF 사용을 위해 마케팅되더라도 이 형식의 데이터를 보여주지 않습니다.

대신, 자기 공진 주파수는 캐파시터가 캐파시터로서의 역할을 멈추고 대신 인덕터처럼 행동하기 시작하는 시점을 결정하는 요소로 여전히 사용될 수 있습니다. 고주파 캐파시터 부품 번호 3456에 대한 자기 공진 주파수 데이터의 예는 아래에 나와 있습니다. 이러한 데이터는 실제 캐파시터에 대한 표준 직렬 RLC 회로 모델을 사용하여 이해할 수 있습니다. 필요에 따라 이러한 데이터를 삽입 손실 그래프로 변환할 수도 있습니다(부품 번호: 600 시리즈, American Technical Ceramics MLCCs).

위의 데이터 사용 방법

위의 예는 고주파 구성 요소의 성능 데이터가 표시될 수 있는 두 가지 가능한 방법을 보여줍니다. 사용 방법은 정확히 무엇이 표시되는지에 따라 달라집니다. 예를 들어:

• 비율 그래프의 경우, 저항 또는 임피던스의 값을 직접 알 수 있으므로 목표 주파수에서의 수동 부품의 값을 즉시 확인할 수 있습니다.

• 삽입 손실, 반환 손실 또는 자기 공진 주파수 그래프의 경우, 임피던스는 계산될 수 있지만, 이는 목표 주파수에서 수동 부품의 값을 얻기 위한 두 번째 계산을 필요로 합니다.

구성 요소를 시뮬레이션에서 사용하려면 위에 표시된 회로 모델을 사용하는 것이 좋습니다. 이는 구성 요소의 전기적 동작을 합리적으로 정확하게 포착할 수 있기 때문입니다. S-파라미터 데이터가 있는 경우, 구성 요소에 대해서만 S-파라미터를 추출하는 것이 더 좋은 옵션이지만, 데이터시트에서 이를 파생하기는 어려울 수 있습니다.

일부 구성 요소 제조업체는 RF 회로의 SPICE 시뮬레이션에 사용할 수 있는 구성 요소의 시뮬레이션 모델을 제공합니다. 물론, RF 회로의 동작을 완전히 이해하려면 구성 요소에 연결된 전송선의 모델도 포함해야 합니다.

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