Cách Thức Hoạt Động của Linh Kiện SMD Tần Số Cao trong Bố Cục PCB

Điều này không làm bất kỳ ai quen thuộc với thiết kế tốc độ cao ngạc nhiên: các thành phần linh kiện bị động SMD tần số cao của bạn ngừng hoạt động như dự định khi bạn vượt qua một tần số nhất định. Tùy thuộc vào kích thước vỏ, phạm vi hoạt động đáng tin cậy cho SMD kết thúc ở đâu đó giữa 10 MHz và 1 GHz. Nói chung, các tụ điện có kích thước vỏ nhỏ có thể hoạt động đáng tin cậy ở tần số cao hơn do ESR thấp hơn, nhưng đây thường là điểm kết thúc phân tích của các thành phần này.

Vào cuộc các tụ điện được quảng cáo cụ thể cho các sản phẩm tần số cao. Các tụ điện tần số cao nói chung được kiểm tra và chứng nhận ở tần số cao hơn nhiều, trong một số trường hợp lên đến 10 GHz hoặc hơn. Các tụ điện này khác biệt về loại vật liệu điện mô sử dụng trong thiết kế, cấu trúc của chúng, và tất nhiên, các thành phần nội tại khi so sánh với MLCCs. Các thành phần này nhắm đến các mạch yêu cầu linh kiện bị động rời rạc như một lựa chọn thay thế cho kích thước lớn của mạch in ở các phạm vi tần số trung gian này.

Ở đây, tôi sẽ xem xét các thành phần tần số cao, cụ thể là điện trở và tụ điện được chứng nhận hoạt động trên 1 GHz. Bài học rút ra là, nếu bạn không tìm thấy dữ liệu kiểm tra của nhà sản xuất chứng minh một thành phần đáng tin cậy ở tần số cao, thì nó không nên được sử dụng trong ứng dụng như vậy.

Các Linh Kiện SMD Tần Số Cao và Giới Hạn Hoạt Động của Chúng

Các linh kiện được thiết kế để hoạt động ở các tần số cao, dao động từ 1 GHz đến 10 GHz hoặc thậm chí cao hơn, được quảng cáo cụ thể cho mục đích này. Chúng sẽ có dữ liệu kiểm tra và đánh giá trong bảng dữ liệu, hiển thị các phạm vi tần số hoạt động mà linh kiện dự kiến sẽ hoạt động đúng cách. Mặc dù đúng là một số linh kiện không được quảng cáo là các bộ phận tần số cao có thể hoạt động như vậy, những linh kiện này nên được kiểm định trong mạch thử nghiệm với các phép đo tham số S. Ngoài các phạm vi tần số được đánh giá, một điện trở hoặc tụ điện tần số cao vẫn có thể lệch khỏi giá trị đã nêu.

Như bất kỳ linh kiện hoặc mạch nào cần hoạt động ở tần số cao, các yếu tố nhiễu gây ra sự lệch khỏi hành vi mạch lý tưởng, và các linh kiện tần số cao đã được kiểm định cụ thể trong sự hiện diện của một số nhiễu. Một số khu vực điển hình mà điều này có thể cần bao gồm:

• Mạng ghép nối trở kháng
• Mạch lọc rời
• Khuếch đại tần số cao
• Bộ chia công suất
• Bộ ghép điện áp

Các linh kiện tần số cao thường được kiểm định dựa trên các sắp xếp kết nối pad và đường dẫn cụ thể như được minh họa trong ví dụ dưới đây. Trong hình dưới đây, các pad được thiết kế cụ thể để xác định các giá trị nhiễu PCB và đóng gói trong phạm vi tần số quan tâm.

Đối với điện trở tần số cao này, các pad, via, kết nối mặt phẳng và đường dẫn sẽ thay đổi trở kháng đầu vào khi nhìn vào linh kiện ở các tần số rất cao.

Ví dụ: Điện trở Tần Số Cao

Các thành phần tần số cao sau đó có thể được phân tích sử dụng một mô hình mạch tương đương, như mô hình được hiển thị dưới đây. Mô hình mạch này tính đến hành vi danh nghĩa của linh kiện, cũng như bao bì và các hiệu ứng phụ của PCB, để chúng ta có thể hiểu rõ hơn về những gì ảnh hưởng đến hiệu suất đo được ở các tần số cao. Trong hình dưới đây, mô hình mạch được lấy từ bảng dữ liệu của một điện trở tần số cao (mã số FC0402E50R0BSWS).

Mô hình mạch có thể được sử dụng để hiểu và giải thích các phép đo trực tiếp về hiệu suất của linh kiện dưới dạng một chức năng của tần số. Ví dụ, hãy xem biểu đồ trở kháng của mã số được đề cập ở trên. Biểu đồ này cho thấy sự biến đổi trong giá trị đo được từ giá trị danh nghĩa dưới dạng tỷ lệ. Ở một tần số gần 10 GHz, trở kháng thực tế (thực sự là trở kháng đầu vào) của linh kiện này có thể lệch đáng kể so với trở kháng danh nghĩa cho gia đình mã số này.

Bộ dữ liệu này cho một thành phần tần số cao giúp bạn đánh giá hiệu suất của thành phần trong phạm vi tần số định mức của nó. Đây chỉ là một ví dụ về dữ liệu cần thiết để hiểu cách một thành phần hoạt động ở các tần số khác nhau. Các thành phần khác hoặc nhóm số phần có thể có cách hiển thị dữ liệu khác nhau, chẳng hạn như với đồ thị trở kháng và phản ứng hoặc với dữ liệu S-parameter.

Ví dụ: Tụ điện Tần số Cao

Tụ điện được sử dụng cho mạch tần số cao bị giới hạn bởi tần số tự cộng hưởng của chúng, giống như khi chọn tụ điện cho IC số. Dữ liệu S-parameter có thể được sử dụng làm tiêu chí để xác định liệu một tụ điện nhất định có hữu ích trong một phạm vi nhất định hay không, bởi vì, khi tụ điện được đặt trong cấu hình song song, tụ điện hoạt động như một bộ lọc thông thấp cho đến tần số cộng hưởng của nó. Thật không may, hầu hết các bảng dữ liệu tụ điện không hiển thị dữ liệu theo định dạng này, ngay cả khi phần đó được quảng cáo cho việc sử dụng tần số cao/RF.

Thay vào đó, tần số tự cộng hưởng vẫn có thể được sử dụng làm yếu tố quyết định khi nào tụ điện ngừng hoạt động như một tụ điện và bắt đầu hoạt động như một cuộn cảm. Một ví dụ về dữ liệu tần số tự cộng hưởng cho linh kiện tụ điện tần số cao có số phận 3456 được hiển thị dưới đây. Những dữ liệu này có thể được hiểu sử dụng mô hình mạch RLC chuỗi tiêu chuẩn cho một tụ điện thực. Bạn cũng có thể chuyển đổi những dữ liệu này thành biểu đồ mất chèn khi cần thiết (số phận: 600 Series, American Technical Ceramics MLCCs).

Cách Sử Dụng Dữ Liệu Trên

Các ví dụ trên đây cho thấy hai cách có thể hiển thị dữ liệu hiệu suất cho các thành phần tần số cao. Cách sử dụng phụ thuộc vào chính xác những gì đang được hiển thị. Ví dụ:

• Đối với biểu đồ tỷ lệ, bạn sẽ biết giá trị của điện trở hoặc trở kháng trực tiếp, vì vậy bạn có thể ngay lập tức thấy giá trị của linh kiện bị động tại tần số mục tiêu của bạn.

• Đối với biểu đồ mất chèn, mất trở lại, hoặc tần số tự cộng hưởng, trở kháng có thể được tính toán, nhưng sau đó đòi hỏi một phép tính thứ hai để lấy giá trị của linh kiện bị động tại tần số mục tiêu của bạn.

Nếu bạn muốn sử dụng các linh kiện trong một mô phỏng, bạn nên sử dụng mô hình mạch được hiển thị ở trên vì điều này sẽ mô tả khá chính xác hành vi điện của linh kiện. Nếu bạn có dữ liệu S-parameter, một lựa chọn tốt hơn là chỉ rút trích S-parameters cho các linh kiện, mặc dù điều này có thể khó khăn để suy ra từ bảng dữ liệu.

Một số nhà sản xuất linh kiện cung cấp mô hình mô phỏng cho linh kiện của họ để bạn có thể sử dụng chúng trong mô phỏng SPICE cho mạch RF của mình. Tất nhiên, bạn cũng cần phải tích hợp mô hình cho các đường truyền dẫn kết nối với linh kiện để hoàn toàn hiểu được hành vi của mạch RF của bạn.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.