Como Passivos SMD de Alta Frequência Funcionam em um Layout de PCB

Isso não deve surpreender ninguém familiarizado com design de alta velocidade: seus componentes passivos SMD de alta frequência param de funcionar conforme o esperado quando você ultrapassa uma certa frequência. Dependendo do tamanho do case, a faixa de operação confiável para SMD passa a ser de no máximo entre 10 MHz e 1 GHz. Em geral, capacitores com tamanhos de case menores podem operar de forma confiável em frequências mais altas devido ao menor ESR, mas geralmente é aqui que a análise desses componentes termina.

Entrem os capacitores que são especificamente comercializados para produtos de alta frequência. Capacitores de alta frequência geralmente são testados e qualificados em frequências muito mais altas, em alguns casos até 10 GHz ou mais. Esses capacitores diferem em termos de material dielétrico usado no design, sua construção e, claro, seus parasitas internos quando comparados aos MLCCs. Esses componentes visam circuitos que requerem passivos discretos como uma alternativa ao grande tamanho dos circuitos impressos nessas faixas de frequência intermediárias.

Aqui, vou examinar componentes de alta frequência, especificamente resistores e capacitores que são qualificados para operar acima de 1 GHz. A moral da história é, se você não encontrar dados de teste do fabricante provando que um componente é confiável em altas frequências, então ele não deve ser usado em tal aplicação.

Componentes SMD de Alta Frequência e Seus Limites Operacionais

Componentes projetados para operar em altas frequências, variando de 1 GHz a 10 GHz ou até mais, são especificamente comercializados para esse fim. Eles terão dados de teste e avaliação na ficha técnica que mostram as faixas de frequência operacional onde os componentes devem funcionar adequadamente. Embora seja verdade que alguns componentes que não são comercializados como partes de alta frequência possam funcionar como tal, estes devem ser qualificados em circuitos de teste com medições de parâmetros S. Além dessas faixas de frequência classificadas, um resistor ou capacitor de alta frequência ainda pode desviar do seu valor declarado.

Como qualquer componente ou circuito que precisa operar em alta frequência, elementos parasitas causam desvio do comportamento ideal do circuito, e componentes de alta frequência foram qualificados especificamente na presença de alguns parasitas. Algumas áreas típicas onde isso pode ser necessário incluem:

• Redes de casamento de impedância
• Circuitos de filtro discretos
• Amplificadores de alta frequência
• Divisores de potência
• Chaves de polarização

Componentes de alta frequência são normalmente qualificados com base em arranjos específicos de conexão de pads e trilhas, como ilustrado no exemplo abaixo. Na imagem abaixo, os pads são especificamente projetados para determinar os valores de parasitas da PCB e embalagem na faixa de frequência de interesse.

Para este resistor de alta frequência, os pads, via, conexão com o plano e o traço alterarão a impedância de entrada olhando para o componente em frequências muito altas.

Exemplo: Resistor de Alta Frequência

Componentes de alta frequência podem então ser analisados usando um modelo de circuito equivalente, como o mostrado abaixo. Esse modelo de circuito leva em conta o comportamento nominal do componente, bem como as parasitas da embalagem e da PCB, para que possamos entender melhor o que influencia o desempenho medido em altas frequências. Na imagem abaixo, o modelo de circuito é retirado da ficha técnica de um resistor de alta frequência (número de peça FC0402E50R0BSWS).

O modelo de circuito pode ser usado para entender e interpretar medições diretas do desempenho de um componente como função da frequência. Por exemplo, olhe para o gráfico de resistência para o número de peça mencionado acima. Este gráfico mostra variação no valor medido a partir do valor nominal como uma razão. Em alguma frequência próxima de 10 GHz, a resistência real (realmente a impedância de entrada) deste componente pode desviar significativamente da resistência nominal para esta família de números de peça.

Este conjunto de dados para um componente de alta frequência ajuda você a qualificar o desempenho do componente dentro de sua faixa de frequência nominal. Este é apenas um exemplo dos dados que seriam necessários para entender como um componente se comporta em várias frequências. Outros componentes ou grupos de números de peça podem ter maneiras diferentes de exibir esses dados, como com gráficos de impedância e reatância ou com dados de parâmetros S.

Exemplo: Capacitor de Alta Frequência

Capacitores usados para circuitos de alta frequência são limitados pela sua frequência de ressonância própria, assim como acontece quando capacitores são selecionados para ICs digitais. Dados de parâmetros S podem ser usados como métrica para determinar se um certo capacitor é útil em uma certa faixa porque, quando o capacitor é colocado em configuração de derivação, o capacitor atua como um filtro passa-baixa até sua frequência de ressonância. Infelizmente, a maioria das folhas de dados de capacitores não mostra dados neste formato, mesmo que a peça seja comercializada para uso de alta frequência/RF.

Em vez disso, a frequência de ressonância própria ainda pode ser usada como o fator determinante de quando um capacitor para de agir como um capacitor e começa a agir como um indutor. Um exemplo de dados de frequência de ressonância própria para o número de peça do capacitor de alta frequência 3456 é mostrado abaixo. Esses dados podem ser entendidos usando o modelo de circuito RLC em série padrão para um capacitor real. Você também pode converter esses dados em um gráfico de perda de inserção conforme necessário (número de peça: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Como Usar os Dados Acima

Os exemplos acima mostram duas maneiras possíveis de exibir dados de desempenho para componentes de alta frequência. Como eles são usados depende exatamente do que está sendo exibido. Por exemplo:

• Para um gráfico de razão, você conhecerá o valor da resistência ou impedância diretamente, então você pode imediatamente ver o valor do passivo na sua frequência alvo.

• Para um gráfico de perda de inserção, perda de retorno ou frequência de ressonância própria, a impedância pode ser calculada, mas isso então requer um segundo cálculo para obter o valor do passivo na sua frequência alvo.

Se você deseja usar os componentes em uma simulação, é recomendado que você utilize o modelo de circuito mostrado acima, pois isso capturará de maneira razoavelmente precisa o comportamento elétrico do componente. Se você tiver os dados de parâmetros S, uma opção melhor é extrair os parâmetros S apenas para os componentes, embora isso possa ser difícil de derivar de uma ficha técnica.

Alguns fabricantes de componentes fornecem modelos de simulação para seus componentes, para que você possa usá-los em uma simulação SPICE para o seu circuito RF. Claro, você também precisará incorporar modelos para as linhas de transmissão que se conectam a um componente, a fim de entender completamente o comportamento dos seus circuitos RF.

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