Собственная резонансная частота и выбор конденсаторов для высоких частот

С увеличением количества приложений, работающих на более высоких частотах, и с цифровыми устройствами, настроенными на работу на ещё более высоких скоростях переключения, различные части вашей системы могут вести себя неидеально. Конденсаторы, используемые для обеспечения целостности питания и для использования в различных схемах на дискретных компонентах, не будут действовать как реальные конденсаторы в определённом диапазоне частот. Исходя из этого, вам нужно будет выбрать правильный конденсатор для приложений с очень высокой скоростью/высокой частотой.

Что делает конденсатор высокочастотным?

Основная цель при выборе конденсатора - убедиться, что он действует как можно ближе к реальному конденсатору. Реальные конденсаторы имеют паразитное сопротивление (называемое эффективным последовательным сопротивлением, или ESR) и паразитную индуктивность (называемую эффективной последовательной индуктивностью, или ESL). Конденсаторы также имеют некоторое утечное сопротивление между двумя пластинами в конденсаторе, но оно обычно настолько велико, что его можно игнорировать в высокочастотных приложениях, особенно при работе с большими конденсаторами.

Так что это значит для ваших конденсаторов? По сути, это означает, что каждый конденсатор на самом деле является последовательной RLC-цепью. Это означает, что он имеет некоторую резонансную частоту при возбуждении периодическим сигналом. На низкой частоте доминирует импеданс, предоставляемый конденсатором, и ваш конденсатор будет вести себя почти идеально. При достаточно высокой частоте значение ESL начинает преобладать, и импеданс начинает проявляться индуктивно. Это создаёт эффект, известный как саморезонанс на как раз подходящей частоте.

Эквивалентная модель высокочастотного конденсатора.

Это означает, что важной характеристикой, отличающей разные конденсаторы для разных диапазонов частот, является саморезонансная частота конденсатора. На этой конкретной частоте конденсатор будет демонстрировать свой минимальный импеданс и очень сильный токовый отклик.

Для печатных плат, которые будут работать на высоких скоростях и высоких частотах, выбор конденсаторов становится очень важным. С высокоскоростной цифровой сигнализацией конденсаторы следует выбирать таким образом, чтобы они имели идеальный емкостной импеданс до частоты изгиба сигнала (0,35, делённое на время нарастания сигнала от 10% до 90%). Другими словами, саморезонансная частота должна быть выше частоты изгиба. С высокочастотными аналоговыми сигналами любые конденсаторы следует выбирать так, чтобы соответствующие частоты в системе были ниже саморезонансной частоты.

Это важно с точки зрения дизайна, так как вам нужно, чтобы ваши конденсаторы действовали как идеальные элементы схемы, иначе вы можете неправильно рассчитать предоставляемую вам ёмкость в конкретной схеме. Это также важно с точки зрения целостности питания и сигнала. Конденсаторы, используемые для шунтирования/развязки, предназначены для подавления колебаний мощности и звона в шине питания или цепи сигнала при переключении транзисторов, но неправильно подобранный конденсатор может производить звон из-за саморезонанса, а не подавлять его.

Некоторые высокочастотные конденсаторы для вашего следующего проекта

Помимо стандартных критериев выбора конденсаторов, вам следует обратить внимание на поиск собственной резонансной частоты потенциального конденсатора, если она указана в техническом описании. Если вы не можете найти это значение в вашем техническом описании, то вам следует хотя бы найти значения ESR и ESL. Затем вы можете быстро рассчитать собственную резонансную частоту для последовательной цепи RLC, используя эти значения (для упрощения игнорируйте сопротивление утечки):

Частота собственного резонанса конденсатора.

Как только вы определите различные характеристики, вы можете использовать приведенное выше уравнение, чтобы быстро проверить, что данный конденсатор будет иметь достаточно высокую собственную резонансную частоту. Вы можете прочитать больше о правильном выборе конденсаторов для шунтирования/развязки в этой статье.

Некоторые другие важные аспекты, которые следует учитывать:

• Стабильность ESR по частоте: Поскольку ESR является паразитным эффектом, он также может зависеть от частоты. Это в некоторой степени повлияет на форму измеренной кривой импеданса конденсатора. Это также повлияет на выбор размера в некоторых приложениях с очень высокой частотой.
• Поверхностный монтаж против сквозного монтажа: Это становится крайне важным на микроволновых и более высоких частотах. Контакт на конденсаторе сквозного монтажа может действовать как сильный резонатор на чрезвычайно высоких частотах (миллиметровые волны), что означает, что он будет сильно излучать, как антенна. Имейте это в виду.
• Стабильность по температуре и напряжению: Емкость (и все другие характеристики) могут изменяться в зависимости от уровня входного напряжения и температуры.
• Первый серийный резонанс (FSR) и первый параллельный резонанс (FPR): Это наименьшие номинальные значения частоты, на которых оцениваются S11 и S21 для данного конденсатора.

Вот два отличных набора высокочастотных конденсаторов, идеально подходящих для применения в диапазоне ГГц:

MLCC от American Technical Ceramics (1-50 ГГц)

Серия 600 керамических многослойных конденсаторов от American Technical Ceramics идеально подходит для использования в диапазоне низких и средних ГГц. Эти конденсаторы являются компонентами SMT с стабильными значениями емкости в диапазоне 0.1-100 пФ.

Данные о собственной резонансной частоте для серии ATC 600, из технического описания.

Серии UQ и Accu-P от AVX (1-10 ГГц и 4-20 ГГц соответственно)

Конденсаторы серии UQ от AVX идеально подходят для предстоящих систем и телефонов 5G. Серия тонкопленочных конденсаторов Accu-P идеально подходит для устройств, работающих в будущих диапазонах 5G и для автомобильных радаров ближнего действия. Другие области применения включают спутниковые и медицинские устройства. Эти конденсаторы являются компонентами для поверхностного монтажа с стабильными значениями емкости в диапазоне 0,1-100 пФ.

Структура высокочастотного тонкопленочного конденсатора Accu-P, из технического описания Accu-P.

Каталог Octopart содержит огромный ассортимент конденсаторов и других пассивных компонентов для любых приложений. Если вы не уверены, какой высокочастотный конденсатор вам нужен, попробуйте использовать наше руководство по выбору компонентов для определения лучшего варианта для вашего следующего продукта.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.