Częstotliwość własna rezonansu i dobór kondensatorów wysokich częstotliwości

Wraz z coraz większą liczbą aplikacji pracujących na wyższych częstotliwościach, a urządzenia cyfrowe ustawione na jeszcze wyższe szybkości przełączania, różne części Twojego systemu mogą nie działać w idealny sposób. Kondensatory używane do zapewnienia integralności zasilania oraz w różnych obwodach zbudowanych z dyskretnych komponentów nie będą działać jak prawdziwe kondensatory w pewnym zakresie częstotliwości. Mając to na uwadze, musisz wybrać odpowiedni kondensator do aplikacji o bardzo wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości.

Co sprawia, że kondensator jest wysokoczęstotliwościowy?

Całkowitym celem przy wyborze kondensatora jest upewnienie się, że działa on jak najbliżej prawdziwego kondensatora. Prawdziwe kondensatory mają pasożytniczy opór (nazywany efektywnym oporem szeregowym, ESR) i pasożytniczą indukcyjność (nazywaną efektywną indukcyjnością szeregową, ESL). Kondensatory mają również pewien opór wycieku między dwiema płytami kondensatora, ale jest on na ogół na tyle duży, że można go zignorować w aplikacjach wysokoczęstotliwościowych, szczególnie przy pracy z dużymi kondensatorami.

Co to oznacza dla Twoich kondensatorów? Zasadniczo oznacza to, że każdy kondensator jest naprawdę szeregowym obwodem RLC. Oznacza to, że ma pewną częstotliwość rezonansową, gdy jest pobudzany sygnałem okresowym. Przy niskiej częstotliwości dominująca jest impedancja dostarczana przez kondensator, i Twój kondensator będzie wykazywał zachowanie bliskie idealnemu. Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości wartość ESL przejmuje kontrolę, a impedancja zaczyna wydawać się indukcyjna. Powoduje to efekt znan jako rezonans własny w właściwej częstotliwości.

Równoważny model kondensatora wysokoczęstotliwościowego.

Oznacza to, że ważną cechą odróżniającą różne kondensatory dla różnych zakresów częstotliwości jest częstotliwość rezonansowa kondensatora. Przy tej szczególnej częstotliwości kondensator będzie wykazywał swoją minimalną impedancję i bardzo silną odpowiedź prądową.

Dla PCB, które będą działać z wysokimi prędkościami i wysokimi częstotliwościami, wybór kondensatorów staje się bardzo ważny. Przy wysokoszybkim sygnalizowaniu cyfrowym, kondensatory powinny być wybrane tak, aby miały idealną impedancję pojemnościową do częstotliwości kolana sygnału (0,35 podzielone przez czas narastania 10%-90%). Innymi słowy, częstotliwość rezonansowa powinna być większa niż częstotliwość kolana. Przy wysokoczęstotliwościowych sygnałach analogowych, wszelkie kondensatory powinny być wybrane tak, aby odpowiednie częstotliwości w systemie były niższe niż częstotliwość rezonansowa.

Jest to ważne z punktu widzenia projektowania, ponieważ potrzebujesz, aby Twoje kondensatory działały jak idealne elementy obwodu, w przeciwnym razie możesz źle obliczyć pojemność, którą zapewniasz w konkretnym obwodzie. Jest to również ważne z punktu widzenia integralności zasilania i integralności sygnału. Kondensatory używane do omijania/dekuplowania mają na celu tłumienie fluktuacji mocy i dzwonienia w magistrali zasilającej lub łańcuchu sygnałowym, gdy tranzystory przełączają, ale źle dobrany kondensator może wywołać dzwonienie z powodu rezonansu własnego zamiast go tłumić.

Niektóre kondensatory wysokoczęstotliwościowe do Twojego następnego projektu

Oprócz standardowych kryteriów wyboru kondensatorów, powinieneś skupić się na znalezieniu częstotliwości własnej rezonansu kandydującego kondensatora, jeśli jest ona wymieniona w karcie katalogowej. Jeśli nie możesz znaleźć tej wartości w swojej karcie katalogowej, powinieneś przynajmniej zlokalizować wartości ESR i ESL. Możesz wtedy szybko obliczyć częstotliwość własnego rezonansu dla szeregowego obwodu RLC, używając tych wartości (dla uproszczenia zignoruj oporność upływu):

Częstotliwość własnego rezonansu kondensatora.

Po zlokalizowaniu różnych specyfikacji, możesz użyć powyższego równania, aby szybko sprawdzić, czy dany kondensator będzie miał wystarczająco wysoką częstotliwość własnego rezonansu. Możesz przeczytać więcej o odpowiednim doborze kondensatorów do odcięcia/zasilania w tym artykule.

Kilka innych ważnych aspektów, które należy wziąć pod uwagę, to:

• Stabilność ESR w funkcji częstotliwości: Jako że ESR jest efektem pasożytniczym, może być również funkcją częstotliwości. Będzie to miało wpływ na kształt zmierzonej krzywej impedancji kondensatora w pewnym stopniu. Będzie to miało również wpływ na dobór rozmiaru w niektórych aplikacjach o bardzo wysokiej częstotliwości.
• Montaż powierzchniowy vs przewlekany: Staje się to niezwykle ważne na częstotliwościach mikrofalowych i wyższych. Nóżka kondensatora przewlekanego może działać jak silny rezonator na bardzo wysokich częstotliwościach (mmWave), co oznacza, że będzie silnie promieniować jak antena. Należy to mieć na uwadze.
• Stabilność temperatury i napięcia: Pojemność (i wszystkie inne oceny) mogą zmieniać się w zależności od poziomu napięcia wejściowego i temperatury.
• Pierwszy rezonans szeregowy (FSR) i pierwszy rezonans równoległy (FPR): Są to najniższe wartości częstotliwości, dla których oceniane są S11 i S21 dla danego kondensatora.

Oto dwa doskonałe zestawy kondensatorów wysokich częstotliwości, które są idealne do zastosowań w zakresie GHz:

MLCC firmy American Technical Ceramics (1-50 GHz)

Seria 600 ceramicznych kondensatorów wielowarstwowych od American Technical Ceramics jest idealna do użytku w zakresie niskich do średnich GHz. Te kondensatory są komponentami SMT z stabilnymi ocenami pojemności w zakresie 0,1-100 pF.

Dane częstotliwości własnego rezonansu dla serii ATC 600, z karty katalogowej.

Seria AVX UQ (1-10 GHz) i seria Accu-P (4-20 GHz)

Kondensatory z serii UQ od AVX są idealne dla nadchodzących systemów i telefonów 5G. Seria Accu-P cienkowarstwowych kondensatorów jest idealna dla urządzeń działających w przyszłych pasmach 5G oraz krótkozasięgowych radarach samochodowych. Inne zastosowania obejmują urządzenia satelitarne i medyczne. Te kondensatory to komponenty SMT z stabilnymi wartościami pojemności w zakresie 0,1-100 pF.

Struktura cienkowarstwowego kondensatora wysokoczęstotliwościowego Accu-P, z karty katalogowej Accu-P.

Katalog Octopart zawiera ogromny zakres kondensatorów i innych komponentów pasywnych na każdą aplikację. Jeśli nie jesteś pewien, który kondensator wysokoczęstotliwościowy potrzebujesz, spróbuj użyć naszego przewodnika wyboru części, aby określić najlepszą opcję dla Twojego następnego produktu.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.