Jak działają pasywne elementy SMD wysokiej częstotliwości w układzie PCB

To nie powinno być zaskoczeniem dla nikogo, kto zna się na projektowaniu wysokich prędkości: twoje pasywne komponenty SMD wysokiej częstotliwości przestają działać zgodnie z przeznaczeniem, gdy osiągniesz pewną częstotliwość. W zależności od rozmiaru obudowy, niezawodny zakres działania dla SMD kończy się gdzieś między 10 MHz a 1 GHz. Ogólnie rzecz biorąc, kondensatory o mniejszym rozmiarze obudowy mogą niezawodnie pracować na wyższych częstotliwościach ze względu na niższy ESR, ale zazwyczaj na tym kończy się analiza tych komponentów.

Wchodzą kondensatory, które są specjalnie reklamowane dla produktów wysokich częstotliwości. Kondensatory wysokich częstotliwości są ogólnie testowane i kwalifikowane na znacznie wyższych częstotliwościach, w niektórych przypadkach do 10 GHz lub więcej. Te kondensatory różnią się pod względem użytego materiału dielektrycznego w projekcie, ich konstrukcji, a oczywiście także ich wewnętrznych pasożytów w porównaniu do MLCC. Te komponenty są przeznaczone do obwodów, które wymagają dyskretnych pasywów jako alternatywę dla dużych rozmiarów obwodów drukowanych w tych średnich zakresach częstotliwości.

Tutaj przyjrzę się komponentom wysokich częstotliwości, szczególnie rezystorom i kondensatorom, które są kwalifikowane do pracy powyżej 1 GHz. Morale tej historii jest takie, że jeśli nie można znaleźć danych testowych producenta potwierdzających niezawodność komponentu przy wysokich częstotliwościach, to nie powinien być on używany w takiej aplikacji.

Komponenty SMD wysokiej częstotliwości i ich granice działania

Komponenty zaprojektowane do pracy na wysokich częstotliwościach, w zakresie od 1 GHz do 10 GHz lub nawet wyższych, są specjalnie na to przeznaczone. Posiadają one dane testowe i oceny w karcie katalogowej, które pokazują zakresy częstotliwości, w których komponenty mają prawidłowo funkcjonować. Chociaż prawdą jest, że niektóre komponenty, które nie są reklamowane jako części wysokoczęstotliwościowe, mogą tak działać, powinny one być kwalifikowane w obwodach testowych z pomiarami parametrów S. Poza tymi zalecanymi zakresami częstotliwości, rezystor lub kondensator wysokiej częstotliwości może nadal odbiegać od swojej zadeklarowanej wartości.

Tak jak każdy komponent lub obwód, który musi działać na wysokiej częstotliwości, elementy pasożytnicze powodują odchylenie od idealnego zachowania obwodu, a komponenty wysokoczęstotliwościowe zostały specjalnie zakwalifikowane w obecności niektórych pasożytów. Niektóre typowe obszary, gdzie może być to potrzebne, to:

• Sieci dopasowania impedancji
• Układy filtrów dyskretnych
• Wzmacniacze wysokiej częstotliwości
• Dzielniki mocy
• Układy zasilające

Komponenty wysokiej częstotliwości są zwykle kwalifikowane na podstawie konkretnych układów połączeń padów i ścieżek, jak pokazano na poniższym przykładzie. Na poniższym obrazie pady są specjalnie zaprojektowane do określania wartości pasożytniczych PCB i opakowania w zakresie częstotliwości zainteresowania.

Dla tego rezystora wysokoczęstotliwościowego, pady, przelotka, połączenie z płaszczyzną i ścieżka będą zmieniać impedancję wejściową patrząc na komponent przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Przykład: Rezystor Wysokoczęstotliwościowy

Komponenty wysokoczęstotliwościowe mogą być następnie analizowane przy użyciu równoważnego modelu obwodu, taki jak pokazano poniżej. Ten model obwodu uwzględnia nominalne zachowanie komponentu, jak również opakowanie i pasożytnicze elementy PCB, abyśmy mogli lepiej zrozumieć, co wpływa na zmierzoną wydajność przy wysokich częstotliwościach. Na poniższym obrazie, model obwodu pochodzi z karty katalogowej dla rezystora wysokoczęstotliwościowego (numer części FC0402E50R0BSWS).

Model obwodu może być użyty do zrozumienia i interpretacji bezpośrednich pomiarów wydajności komponentu jako funkcji częstotliwości. Na przykład, spójrz na wykres rezystancji dla wspomnianego numeru części. Ten wykres pokazuje zmianę zmierzonej wartości od nominalnej wartości jako stosunek. Przy pewnej częstotliwości bliskiej 10 GHz, rzeczywista rezystancja (naprawdę impedancja wejściowa) tego komponentu może znacząco odbiegać od nominalnej rezystancji dla tej rodziny numerów części.

Ten zestaw danych dla komponentu wysokoczęstotliwościowego pomaga ocenić wydajność komponentu w jego zakresie częstotliwości nominalnej. To tylko jeden przykład danych, które są potrzebne, aby zrozumieć, jak komponent zachowuje się przy różnych częstotliwościach. Inne komponenty lub grupy numerów części mogą mieć inne sposoby prezentacji tych danych, takie jak za pomocą wykresów impedancji i reaktancji lub danych parametrów S.

Przykład: Kondensator wysokoczęstotliwościowy

Kondensatory używane w obwodach wysokoczęstotliwościowych są ograniczone przez ich własną częstotliwość rezonansową, podobnie jak ma to miejsce, gdy kondensatory są dobierane do cyfrowych układów scalonych. Dane parametrów S mogą być używane jako miara do określenia, czy dany kondensator jest użyteczny w pewnym zakresie, ponieważ gdy kondensator jest umieszczony w konfiguracji równoległej, działa on jak filtr dolnoprzepustowy do momentu osiągnięcia częstotliwości rezonansowej. Niestety, większość kart katalogowych kondensatorów nie przedstawia danych w tym formacie, nawet jeśli część jest reklamowana do użytku wysokoczęstotliwościowego/RF.

Zamiast tego, częstotliwość własna rezonansu może nadal być używana jako czynnik określający, kiedy kondensator przestaje działać jak kondensator i zaczyna zachowywać się jak cewka indukcyjna. Przykład danych dotyczących częstotliwości własnej rezonansu dla kondensatora wysokoczęstotliwościowego o numerze części 3456 jest pokazany poniżej. Te dane można zrozumieć, używając standardowego modelu obwodu RLC szeregowego dla rzeczywistego kondensatora. Można również przekształcić te dane na wykres strat wstawienia, jeśli jest to potrzebne (numer części: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Jak używać powyższych danych

Powyższe przykłady pokazują dwa możliwe sposoby prezentacji danych wydajności dla komponentów wysokoczęstotliwościowych. Sposób ich użycia zależy od tego, co dokładnie jest wyświetlane. Na przykład:

• W przypadku wykresu stosunku, będziesz znać wartość oporu lub impedancji bezpośrednio, więc możesz natychmiast zobaczyć wartość elementu pasywnego przy Twojej docelowej częstotliwości.

• W przypadku wykresu strat wstawienia, strat zwrotnych lub częstotliwości własnej rezonansu, impedancję można obliczyć, ale wymaga to następnie drugiego obliczenia, aby uzyskać wartość elementu pasywnego przy Twojej docelowej częstotliwości.

Jeśli chcesz używać komponentów w symulacji, zaleca się użycie pokazanego powyżej modelu obwodu, ponieważ pozwoli to dość dokładnie oddać elektryczne zachowanie komponentu. Jeśli posiadasz dane S-parametrów, lepszą opcją może być wyodrębnienie S-parametrów tylko dla komponentów, chociaż może być trudno uzyskać je z karty katalogowej.

Niektórzy producenci komponentów dostarczają modele symulacyjne swoich komponentów, dzięki czemu możesz użyć ich w symulacji SPICE dla swojego obwodu RF. Oczywiście, będziesz również musiał włączyć modele linii transmisyjnych, które łączą się z komponentem, aby w pełni zrozumieć zachowanie swoich obwodów RF.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.