Tần số Tự cộng hưởng và Lựa chọn Tụ điện Tần số Cao

Với nhiều ứng dụng hoạt động ở tần số cao hơn, và với các thiết bị số được thiết lập để hoạt động ở tốc độ cạnh còn cao hơn, các phần khác nhau của hệ thống của bạn có thể không hoạt động theo cách lý tưởng. Các tụ điện được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của nguồn điện và để sử dụng trong các mạch khác nhau được xây dựng với các linh kiện rời rạc sẽ không hoạt động như các tụ điện thực sự ở một số dải tần nhất định. Với điều này trong tâm trí, bạn sẽ cần chọn tụ điện phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao.

Điều gì Tạo nên một Tụ Điện Tần Số Cao?

Mục tiêu chính khi chọn một tụ điện là đảm bảo rằng nó hoạt động càng gần với một tụ điện thực sự càng tốt. Tụ điện thực sự có điện trở nhiễu (gọi là điện trở dãy hiệu quả, hay ESR) và cảm kháng nhiễu (gọi là cảm kháng dãy hiệu quả, hay ESL). Tụ điện cũng có một số điện trở rò rỉ giữa hai bản cực trong tụ điện, nhưng điều này thường đủ lớn để có thể bỏ qua trong các ứng dụng tần số cao, đặc biệt khi làm việc với các tụ điện lớn.

Vậy điều này có nghĩa gì cho các tụ điện của bạn? Cơ bản, điều này có nghĩa là mỗi tụ điện thực sự là một mạch RLC nối tiếp. Điều này có nghĩa là nó có một tần số cộng hưởng nhất định khi được kích thích bằng một tín hiệu tuần hoàn. Ở tần số thấp, trở kháng do tụ điện cung cấp là chủ đạo, và tụ điện của bạn sẽ biểu hiện gần như lý tưởng. Ở tần số đủ cao, giá trị ESL chiếm ưu thế, và trở kháng bắt đầu xuất hiện tính cảm kháng. Điều này tạo ra một hiệu ứng được biết đến là cộng hưởng tự thân ở tần số chính xác.

Mô hình tụ điện tần số cao tương đương.

Điều này có nghĩa là đặc điểm quan trọng phân biệt các tụ điện cho các dải tần số khác nhau là tần số cộng hưởng tự thân của tụ điện. Tại tần số cụ thể này, tụ điện sẽ biểu hiện trở kháng tối thiểu và phản ứng dòng điện mạnh mẽ.

Đối với các PCB hoạt động ở tốc độ cao và tần số cao, việc lựa chọn tụ điện trở nên rất quan trọng. Với tín hiệu số tốc độ cao, các tụ điện nên được chọn sao cho chúng có trở kháng tụ điện lý tưởng đến tần số gối của tín hiệu (0.35 chia cho thời gian tăng từ 10%-90%). Nói cách khác, tần số cộng hưởng tự thân nên lớn hơn tần số gối. Với các tín hiệu tương tự tần số cao, bất kỳ tụ điện nào cũng nên được chọn sao cho các tần số liên quan trong hệ thống thấp hơn tần số cộng hưởng tự thân.

Điều này quan trọng từ góc độ thiết kế vì bạn cần các tụ điện của mình hoạt động như các thành phần mạch lý tưởng, nếu không bạn có thể tính toán sai dung lượng bạn đang cung cấp trong một mạch cụ thể. Điều này cũng quan trọng từ góc độ tính toàn vẹn nguồn điện và tính toàn vẹn tín hiệu. Các tụ điện được sử dụng cho việc lọc/bỏ qua được dự định để ngăn chặn sự biến động nguồn điện và rung trong một bus nguồn hoặc chuỗi tín hiệu khi các transistor chuyển mạch, nhưng một tụ điện không đúng kích cỡ có thể tạo ra rung do cộng hưởng tự thân thay vì ngăn chặn nó.

Một số Tụ Điện Tần Số Cao cho Thiết Kế Tiếp theo của Bạn

Ngoài các tiêu chí lựa chọn tụ điện tiêu chuẩn, bạn nên chú trọng tìm kiếm tần số tự cộng hưởng của tụ điện đề cử, nếu nó được liệt kê trong bảng dữ liệu. Nếu bạn không tìm thấy giá trị này trong bảng dữ liệu của mình, thì ít nhất bạn nên tìm các giá trị ESR và ESL. Bạn có thể nhanh chóng tính toán tần số tự cộng hưởng cho mạch RLC nối tiếp sử dụng các giá trị này (bỏ qua điện trở rò rỉ để đơn giản hóa):

Tần số tự cộng hưởng của tụ điện.

Sau khi bạn xác định các thông số kỹ thuật khác nhau, bạn có thể sử dụng phương trình trên để nhanh chóng kiểm tra xem một tụ điện cụ thể có tần số tự cộng hưởng đủ cao hay không. Bạn có thể đọc thêm về cách chọn kích thước phù hợp cho tụ điện bypass/decoupling trong bài viết này.

Một số khía cạnh quan trọng khác cần xem xét là:

• Ổn định tần số ESR: Vì ESR là một hiệu ứng nhiễu, nó cũng có thể là một chức năng của tần số. Điều này sẽ ảnh hưởng đến hình dạng của đường cong trở kháng đo được của tụ điện ở một mức độ nào đó. Điều này cũng ảnh hưởng đến việc chọn kích thước trong một số ứng dụng tần số cao.
• Gắn mặt bàn vs gắn qua lỗ: Điều này trở nên cực kỳ quan trọng ở tần số vi sóng và cao hơn. Chân của tụ điện gắn qua lỗ có thể hoạt động như một bộ cộng hưởng mạnh ở tần số cao cực kỳ (mmWave), nghĩa là nó sẽ phát sóng mạnh như một ăng-ten. Hãy nhớ điều này.
• Ổn định nhiệt độ và điện áp: Điện dung (và tất cả các đánh giá khác) có thể thay đổi theo mức điện áp đầu vào và nhiệt độ.
• Cộng hưởng loạt đầu tiên (FSR) và cộng hưởng song song đầu tiên (FPR): Đây là giá trị tần số đánh giá thấp nhất mà S11 và S21 được đánh giá cho tụ điện đang xét.

Dưới đây là hai bộ tụ điện tần số cao xuất sắc, lý tưởng cho các ứng dụng trong phạm vi GHz:

American Technical Ceramics MLCCs (1-50 GHz)

Các dòng 600 của tụ điện đa lớp gốm từ American Technical Ceramics lý tưởng cho việc sử dụng trong phạm vi GHz thấp đến trung bình. Các tụ điện này là thành phần SMT với các đánh giá điện dung ổn định trong phạm vi 0.1-100 pF.

Dữ liệu tần số tự cộng hưởng cho dòng ATC 600, từ bảng dữ liệu.

AVX UQ Series (1-10 GHz) và Accu-P Series (4-20 GHz)

Tụ điện UQ series từ AVX rất lý tưởng cho các hệ thống và điện thoại di động 5G sắp tới. Dòng Accu-P series của các tụ điện màng mỏng rất phù hợp cho các thiết bị hoạt động trong các băng tần 5G tương lai và radar ô tô khoảng cách ngắn. Các ứng dụng khác bao gồm vệ tinh và thiết bị y tế. Những tụ điện này là các thành phần SMT với các mức định mức dung lượng ổn định trong phạm vi 0.1-100 pF.

Cấu trúc tụ điện màng mỏng tần số cao Accu-P, từ bảng dữ liệu Accu-P.

Danh mục của Octopart chứa một phạm vi rộng lớn các tụ điện và các thành phần thụ động khác cho bất kỳ ứng dụng nào. Nếu bạn không chắc chắn tụ điện tần số cao nào bạn cần, hãy thử sử dụng Hướng dẫn Chọn Phần của chúng tôi để xác định lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm tiếp theo của bạn.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.