Frequência de Ressonância Própria e Seleção de Capacitores de Alta Frequência

Com mais aplicações funcionando em frequências mais altas, e com dispositivos digitais configurados para operar em taxas de borda ainda mais altas, várias partes do seu sistema podem não agir de maneira ideal. Capacitores usados para garantir a integridade da energia e para uso em vários circuitos construídos com componentes discretos não agirão como capacitores reais em certa faixa de frequências. Com isso em mente, você precisará escolher o capacitor certo para aplicações de alta velocidade/alta frequência.

O que Faz um Capacitor de Alta Frequência?

O objetivo total ao escolher um capacitor é garantir que ele aja o mais próximo possível de um capacitor real. Capacitores reais têm resistência parasita (chamada resistência em série efetiva, ou ESR) e indutância parasita (chamada indutância em série efetiva, ou ESL). Os capacitores também têm alguma resistência de fuga entre as duas placas no capacitor, mas isso geralmente é grande o suficiente para que possa ser ignorado em aplicações de alta frequência, especialmente ao trabalhar com grandes capacitores.

Então, o que isso significa para seus capacitores? Essencialmente, significa que todo capacitor é realmente um circuito RLC em série. Isso significa que ele tem alguma frequência de ressonância quando acionado com um sinal periódico. Em baixa frequência, a impedância fornecida pelo capacitor é dominante, e seu capacitor exibirá um comportamento próximo do ideal. Em frequência suficientemente alta, o valor da ESL prevalece, e a impedância começa a parecer indutiva. Isso produz um efeito conhecido como auto-ressonância na frequência exata.

Modelo equivalente de capacitor de alta frequência.

Isso significa que a característica importante que distingue diferentes capacitores para diferentes faixas de frequência é a frequência de auto-ressonância do capacitor. Nessa frequência particular, o capacitor exibirá sua mínima impedância e uma resposta de corrente muito forte.

Para PCBs que operarão em altas velocidades e altas frequências, a seleção de capacitores se torna muito importante. Com sinalização digital de alta velocidade, os capacitores devem ser selecionados de forma que tenham impedância capacitiva ideal até a frequência de corte do sinal (0,35 dividido pelo tempo de subida de 10%-90%). Em outras palavras, a frequência de auto-ressonância deve ser maior que a frequência de corte. Com sinais analógicos de alta frequência, quaisquer capacitores devem ser escolhidos de forma que as frequências relevantes no sistema sejam menores que a frequência de auto-ressonância.

Isso é importante do ponto de vista de design, pois você precisa que seus capacitores ajam como elementos de circuito ideais, caso contrário, você pode calcular mal a capacitância que está fornecendo em um circuito particular. Isso também é importante do ponto de vista da integridade da energia e da integridade do sinal. Capacitores usados para bypass/decoupling destinam-se a suprimir flutuações de energia e ringing em um barramento de energia ou cadeia de sinal quando transistores comutam, mas um capacitor mal dimensionado pode produzir ringing devido à auto-ressonância em vez de suprimi-lo.

Alguns Capacitores de Alta Frequência para o Seu Próximo Design

Além dos critérios padrão de seleção de capacitores, você deve focar em localizar a frequência de auto-ressonância de um capacitor candidato, se ela estiver listada em uma ficha técnica. Se você não conseguir encontrar este valor na sua ficha técnica, então você deve pelo menos localizar os valores de ESR e ESL. Você pode então calcular rapidamente a frequência de auto-ressonância para um circuito RLC em série usando esses valores (ignore a resistência de fuga para simplificar):

Frequência de auto-ressonância de um capacitor.

Uma vez que você localize as várias especificações, você pode usar a equação acima para verificar rapidamente que um dado capacitor terá uma frequência de auto-ressonância suficientemente alta. Você pode ler mais sobre o dimensionamento adequado para capacitores de desacoplamento/bypass neste artigo.

Alguns outros aspectos importantes a considerar são:

• Estabilidade de frequência do ESR: Como o ESR é um efeito parasita, ele também pode ser uma função da frequência. Isso afetará a forma da curva de impedância medida do capacitor em algum grau. Isso também afetará o dimensionamento em algumas aplicações de muito alta frequência.
• Montagem superficial vs. através de furo: Isso se torna extremamente importante em micro-ondas e frequências mais altas. O pino em um capacitor através de furo pode agir como um forte ressonador em frequências extremamente altas (mmWave), significando que ele irradia fortemente como uma antena. Tenha isso em mente.
• Estabilidade de temperatura e tensão: A capacitância (e todas as outras classificações) podem mudar com o nível de tensão de entrada e temperatura.
• Primeira ressonância em série (FSR) e primeira ressonância paralela (FPR): Estes são os valores de frequência classificados mais baixos nos quais S11 e S21 são classificados para o capacitor em questão.

Aqui estão dois excelentes conjuntos de capacitores de alta frequência que são ideais para aplicações na faixa de GHz:

MLCCs da American Technical Ceramics (1-50 GHz)

A série 600 de capacitores cerâmicos multicamadas da American Technical Ceramics são ideais para uso nas faixas de GHz baixas a médias. Esses capacitores são componentes SMT com classificações de capacitância estáveis na faixa de 0,1-100 pF.

Dados de frequência de auto-ressonância para a série ATC 600, do datasheet.

Série UQ da AVX (1-10 GHz) e Série Accu-P (4-20 GHz)

Os capacitores da série UQ da AVX são ideais para os próximos sistemas e aparelhos 5G. A série Accu-P de capacitores de filme fino é ideal para dispositivos que operam nas futuras bandas 5G e radar automotivo de curto alcance. Outras aplicações incluem dispositivos satelitais e médicos. Esses capacitores são componentes SMT com classificações de capacitância estáveis na faixa de 0,1-100 pF.

Estrutura do capacitor de filme fino de alta frequência Accu-P, do datasheet do Accu-P.

O catálogo da Octopart contém uma enorme gama de capacitores e outros componentes passivos para qualquer aplicação. Se você não tem certeza de qual capacitor de alta frequência precisa, tente usar nosso guia Seletor de Peças para determinar a melhor opção para o seu próximo produto.

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