Ця стаття - про особливості керамічних конденсаторів, які проявляються на високих частотах (близько десятків, сотень мегагерц і вище). Стаття заснована на матеріалах досліджень, що проводяться фахівцями компанії Johanson Technology.
Мова в основному піде про керамічних конденсаторів, придатних для застосування в:
- Високошвидкісних цифрових пристроях (фільтрація власних і зовнішніх перешкод);
- Високочастотних пристроях (фільтрація, ^ узгодження, обробка ^-сигналу тощо);
- Будь-яких інших пристроях для фільтрації зовнішніх високочастотних перешкод, які можуть надходити як через ланцюги живлення, так і по повітрю від пристроїв і систем бездротового зв'язку, радіостанцій, пристроїв силової електроніки тощо.
При виробництві таких конденсаторів використовуються спеціальні діелектрики, які називаються NPO або COG. Ці діелектрики відомі тим, що забезпечують слабку залежність ємності конденсатора від температури навколишнього середовища і докладеної напруги.
Найчастіше для зменшення габаритів керамічні конденсатори виконуються у вигляді багатошарових керамічних конденсаторів - MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor, структура яких показана на наступній картинці:
Одним зі світових лідерів у виробництві високочастотних керамічних конденсаторів є компанія Johanson Technology, матеріали якої і послужили основою для цієї статті.
Що відбувається з конденсаторами при збільшенні частоти?
При збільшенні робочої частоти першою «особливою» частотою, з якою стикаються дослідники, є частота послідовного резонансу - SRF, Series Resonant Frequency. Як відомо з курсу фізики, це частота, при якій реактивний опір ідеального конденсатора компенсується реактивним опором послідовно включеної ідеальної котушки індуктивності таким чином, що загальний опір ланцюга стає рівним нулю. У разі керамічного конденсатора явище послідовного резонансу пояснюється наявністю паразитної індуктивності висновків та обкладок конденсатора. І примітна SRF в нашому випадку наступним:
- На частоті послідовного резонансу (SRF) конденсатор володіє найменшим опором, званим еквівалентним послідовним опором - ESR, Equivalent Series Resistance. Цей факт дозволяє замість конденсатора отримати вузькосмуговий фільтр, який може використовуватися для фільтрації перешкод.
- На частотах вище, ніж SRF, конденсатор поводиться подібно індуктивності! Тому іноді кажуть, що на частотах вище частоти послідовного резонансу конденсатор являє собою індуктивність, що не пропускає постійний струм - DC blocking inductor.
При подальшому збільшенні частоти можна спостерігати цілий ряд частот, на яких багатошаровий конденсатор володіє відносно високим опором. Такі частоти називають частотами паралельного резонансу - PRF, Parallel Resonant Frequency. Наявність серії паралельних резонансів пояснюють наявністю паразитних ємностей, включених паралельно з «DC blocking inductor».
Цікаво зазначити, що в загальному випадку, згідно з експериментальними даними, отримати грубу оцінку частоти першого паралельного резонансу можна, подвоївши значення частоти послідовного резонансу.
Іншим цікавим фактом є те, що можна позбутися всіх непарних частот паралельного резонансу, включаючи першу, просто розташувавши пластини внутрішніх обкладок багатошарового конденсатора не паралельно поверхні друкованої плати, а перпендикулярно!
Подивіться на приклад залежності внесеного ослаблення від частоти при двох варіантах розташування обкладок, який наводить Johanson:
На верхній картинці обкладки конденсатора розташовані паралельно друкованій платі, а на нижній - перпендикулярно.
Передбачається, що зникнення непарних частот PRF пов'язано зі зменшенням паразитних ємностей між обкладками керамічного конденсатора і друкованою платою. Але чому при цьому зникають непарні резонанси і залишаються чіткі? Якщо у вас є якісь думки з цього приводу - ласкаво просимо в коментарі!
Оскільки частоти SRF і PRF керамічних конденсаторів можуть лежати в дуже широкому діапазоні, інформація про них стає життєво необхідною при проектуванні електронних пристроїв.
У своїй документації Johanson Technology наводить значення цих частот, причому частота PRF відповідає частоті першого паралельного резонансу (обкладки конденсатора розташовані паралельно поверхні плати).
Ось типові значення резонансних частот для конденсаторів Johanson Technology розміру 0402:
І типові значення резонансних частот для конденсаторів Johanson Technology розміру 0603:
Як бачимо, резонансні частоти переміщуються в область нижчих частот при збільшенні ємності і зменшенні розмірів конденсаторів. А це призводить до звуження діапазону робочих частот у випадку, коли необхідно, щоб цей конденсатор вів себе подібно... конденсатору!
Практичні рекомендації
- Уважно вивчайте документацію на використовувані конденсатори, щоб виключити ситуацію, коли «правильна» схема працює неправильно.
- Не використовуйте для фільтрування високочастотних перешкод низькочастотні керамічні конденсатори, конденсатори з невідомими характеристиками (і тим більше - електролітичні конденсатори).
- Визначте частотні діапазони перешкод і підбирайте фільтруючі конденсатори, виходячи з цих діапазонів. Враховуйте при цьому індуктивність провідників, порівнянну з паразитною індуктивністю високочастотних конденсаторів. Для розрахунку індуктивності провідника можна скористатися формулою:
де L - індуктивність, нГн, x - довжина провідника, см, w - ширина провідника, см, h - висота провідника, див.
- Дотримуйтесь рекомендацій виробників електронних компонентів щодо правил розводки високочастотних друкованих плат.
- Для розширення робочого діапазону керамічний конденсатор може бути встановлений на бік (виключення першого паралельного резонансу).
- У високочастотних ланцюгах частоти послідовного резонансу використовуваних конденсаторів повинні бути істотно вище робочого частотного діапазону. Для закріплення цієї думки фахівці Johanson Technology наводять приклад з власного досвіду, коли при наближенні робочої частоти до частоти послідовного резонансу конденсатор ємністю 10 пФ поводився подібно конденсатору, що володіє ємністю 1000 пф!
Якщо у пристрої використовується модуль бездротового зв'язку Bluetooth, Wi-Fi, GSM, GPS тощо із зовнішньою антеною, то зазвичай рекомендується передбачити в антенному ланцюгу місця для установки узгоджувальних елементів (placeholders). Це дозволяє при необхідності провести безболісне налаштування високочастотної частини плат. Для спрощення цього завдання Johanson Technology пропонує використовувати спеціальні каси високочастотних компонентів, які роблять процес узгодження ^ ланцюгів менш трудомістким.
