Как работают высокочастотные SMD пассивные компоненты в печатной плате

Это не должно стать открытием для тех, кто знаком с высокоскоростным проектированием: ваши пассивные компоненты SMD высокой частоты перестают функционировать как предполагалось, когда частота превышает определённый предел. В зависимости от размера корпуса, надёжный диапазон работы SMD-компонентов обычно заканчивается где-то между 10 МГц и 1 ГГц. В общем, конденсаторы меньшего размера корпуса могут надёжно работать на более высоких частотах из-за более низкого ESR, но обычно анализ этих компонентов на этом заканчивается.

На сцену выходят конденсаторы, специально предназначенные для продуктов высокой частоты. Конденсаторы высокой частоты обычно тестируются и квалифицируются на гораздо более высоких частотах, в некоторых случаях до 10 ГГц и более. Эти конденсаторы отличаются по типу используемого диэлектрического материала в дизайне, их конструкции и, конечно, их внутренним паразитным характеристикам по сравнению с MLCC. Эти компоненты предназначены для схем, которым требуются дискретные пассивные элементы в качестве альтернативы большому размеру печатных плат в этих промежуточных диапазонах частот.

Здесь я рассмотрю компоненты высокой частоты, в частности резисторы и конденсаторы, которые квалифицированы для работы на частотах выше 1 ГГц. Мораль этой истории такова: если вы не можете найти данные испытаний производителя, подтверждающие надёжность компонента на высоких частотах, то его не следует использовать в таких приложениях.

Высокочастотные SMD пассивные компоненты и их рабочие пределы

Компоненты, предназначенные для работы на высоких частотах, в диапазоне от 1 ГГц до 10 ГГц или даже выше, специально разрабатываются для этих целей. В техническом описании будут представлены данные испытаний и оценок, показывающие диапазоны рабочих частот, в которых компоненты должны корректно функционировать. Хотя некоторые компоненты, не позиционируемые как высокочастотные, могут функционировать в таком качестве, их следует квалифицировать в тестовых схемах с измерениями S-параметров. За пределами этих номинальных диапазонов частот высокочастотный резистор или конденсатор могут все же отклоняться от заявленного значения.

Как и любой компонент или схема, которые должны работать на высокой частоте, паразитные элементы вызывают отклонение от идеального поведения схемы, и высокочастотные компоненты специально квалифицируются в присутствии некоторых паразитов. Некоторые типичные области, где это может потребоваться, включают:

• Сети согласования импеданса
• Дискретные фильтрующие схемы
• Высокочастотные усилители
• Делители мощности
• Смещающие Т-образные соединения

Высокочастотные компоненты обычно квалифицируются на основе конкретных расположений контактных площадок и дорожек, как показано на примере ниже. На изображении ниже контактные площадки специально разработаны для определения значений паразитных элементов ПП и упаковки в интересующем диапазоне частот.

Для этого резистора высокой частоты, площадки, переходное отверстие (via), соединение с плоскостью и трасса будут изменять входное сопротивление, смотря на компонент на очень высоких частотах.

Пример: Резистор высокой частоты

Тогда компоненты высокой частоты могут быть проанализированы с использованием эквивалентной схемы модели, подобной показанной ниже. Эта модель схемы учитывает номинальное поведение компонента, а также упаковку и паразитные элементы на печатной плате, чтобы мы могли лучше понять, что влияет на измеренную производительность на высоких частотах. На изображении ниже модель схемы взята из технического описания для резистора высокой частоты (номер детали FC0402E50R0BSWS).

Модель схемы может быть использована для понимания и интерпретации прямых измерений производительности компонента как функции частоты. Например, посмотрите на график сопротивления для упомянутого выше номера детали. Этот график показывает изменение измеренного значения от номинального значения в виде отношения. На некоторой частоте около 10 ГГц фактическое сопротивление (на самом деле входное сопротивление) этого компонента может значительно отличаться от номинального сопротивления для этой семейства номеров деталей.

Этот набор данных для компонента высокой частоты помогает оценить его производительность в пределах номинального диапазона частот. Это лишь один пример данных, которые необходимы для понимания, как компонент работает на различных частотах. Другие компоненты или группы номеров деталей могут иметь другие способы отображения этих данных, например, с помощью графиков импеданса и реактивного сопротивления или данных S-параметров.

Пример: Конденсатор высокой частоты

Конденсаторы, используемые для схем высокой частоты, ограничены их собственной резонансной частотой, как и в случае выбора конденсаторов для цифровых ИС. Данные S-параметров могут использоваться в качестве метрики для определения, подходит ли определенный конденсатор для использования в определенном диапазоне, поскольку, когда конденсатор установлен в шунтирующей конфигурации, он действует как фильтр нижних частот до достижения его резонансной частоты. К сожалению, большинство технических описаний конденсаторов не показывают данные в этом формате, даже если деталь рекламируется для использования на высоких частотах/РЧ.

Вместо этого, саморезонансная частота все еще может использоваться как фактор, определяющий, когда конденсатор перестает действовать как конденсатор и начинает вести себя как индуктор. Ниже приведен пример данных о саморезонансной частоте для конденсатора высокой частоты с номером части 3456. Эти данные можно понять, используя стандартную модель последовательной RLC-цепи для реального конденсатора. Вы также можете преобразовать эти данные в график потерь на вставке по мере необходимости (номер части: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Как использовать приведенные выше данные

Приведенные выше примеры показывают два возможных способа отображения данных о производительности компонентов высокой частоты. Как они используются, зависит от того, что именно отображается. Например:

• Для графика соотношений вы будете знать значение сопротивления или импеданса напрямую, так что вы сразу увидите значение пассивного компонента на вашей целевой частоте.

• Для графика потерь на вставке, потерь на возврате или графика саморезонансной частоты импеданс может быть рассчитан, но затем потребуется второй расчет, чтобы получить значение пассивного компонента на вашей целевой частоте.

Если вы хотите использовать компоненты в симуляции, рекомендуется использовать показанную выше схему модели, поскольку она с достаточной точностью отражает электрическое поведение компонента. Если у вас есть данные S-параметров, лучшим вариантом будет извлечение S-параметров только для компонентов, хотя это может быть сложно сделать, исходя из технического описания.

Некоторые производители компонентов предоставляют модели для симуляции своих компонентов, чтобы вы могли использовать их в симуляции SPICE для вашей РЧ-схемы. Конечно, вам также потребуется включить модели для линий передачи, которые подключены к компоненту, чтобы полностью понять поведение ваших РЧ-схем.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику мощности или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.