RF MLCC Capacitors
Слышали ли вы когда-нибудь об RF-конденсаторах?
Я лично нет. Впервые о них мне сказал мой коллега, когда я трассировал линию передачи между чипом и антенной. В такие линии часто закладывают резистор и два посадочных места для конденсаторов, чтоб поднастроить антенну во время тестов.
Так вот, обычные конденсаторы для настройки не годятся. Годятся специальные - RF capacitors.
Что такое RF конденсатор?
RF конденсатор это по сути тот же конденсатор, только его параметры оптимизированы под работу на высоких частотах:
- У него меньше ESR
- Выше добротность (Q)
- Выше резонансная частота (SRF)
- Используются только хорошие типы диэлектриков (NP0/C0G)
Зачем хороший диэлектрик?
В высоких частотах очень важна стабильность емкости. А она имеет тенденцию изменяться в зависимости от температуры. Более того, на высоких частотах конденсатор может греться больше, чем на низких. И даже у такого хорошего диэлектрика как X7R емкость плавает от температуры, поэтому используются диэлектрики типа NP0/C0G. У них емкость от температуры - это почти прямая линия.
Зачем меньше ESR?
ESR - это паразитное сопротивление, которое идет последовательно с емкостью.
Как мы знаем, чем больший ток протекает через сопротивление, тем больше на нем рассеивается тепла.
Если в известный закон Ома вместо сопротивления R - подставить импеданс конденсатора ( 1/ωC ), то получится:
1. Сопротивление конденсатора падает по мере роста частоты
2. Чем больше частота, тем больше тока протекает через конденсатор
Вот поэтому важно конструировать конденсаторы так, чтобы ESR было как можно меньше.
Почему важная высокая SRF?
Глядя на рисунок выше, с эквивалентной схемой конденсатора, мы можем сказать: "Окей, емкость мы сделали постоянной, ESR - уменьшили, а что с ESL? С паразитной последовательной индуктивностью?
Ее, как и сопротивление, тоже нужно уменьшить.
Если посмотреть импеданс конденсатора в зависимости от частоты, то его можно разделить на две части: емкостную и индуктивную.
Это значит, что начиная с низких частот и до SRF, конденсатор ведет себя как конденсатор. То есть импеданс конденсатора больше, чем импеданс паразитной индуктивности ESL.
Напомню, что импеданс индуктивности XL = ω*L. То есть по мере роста частоты он увеличивается.
Начиная с SRF частоты, конденсатор начинает вести себя как индуктивность. То есть импеданс ESL стал больше, чем у емкости.
Мы тут за традиционные ценности, поэтому мы хотим, чтоб конденсатор оставался конденсатором, а не превращался в индуктивность. А значит нужно уменьшать ESL и смещать SRF вправо, к более высоким частотам.
Помимо всего прочего, SRF - это не просто какая-то условная частота, а частота где импеданс конденсатора = импедансу индуктивности.
А это, на минуточку, определение резонанса.
Т.е. у нас есть конденсатор, есть последовательная с ним индуктивность, их импедансы равны, охапка дров и мы получаем последовательный резонатор.
В отличие от параллельных резонаторов, последовательные резонаторы не усиливают сигнал, а уменьшают его. В точке резонанса (SRF) сопротивление минимально, а значит через конденсатор протекает большой ток. Можно сказать, что происходит короткое замыкание.
А переменный сигнал, который вы передавали через этот конденсатор, скорее всего превратится в прямую линию.
Зачем выше добротность?
Если честно, термин добротности мне не очень нравится и я предпочту описать не через него, а через Dissipation Factor (DF).
DF (коэффициент потерь) — это параметр, который характеризует потери энергии в конденсаторе при его работе. Он показывает, какая часть энергии, проходящей через конденсатор, теряется в виде тепла из-за сопротивления и других внутренних факторов.
DF - обратно пропорционален добротности:
И вот лично для меня, гораздо понятнее звучит: "В RF конденсаторах коэффициент потерь должен быть меньше, чем в обычных".
Почему это так важно для высоких частот и не так важно для низких? Потому что уровень потерь Ploss (так же, кстати, как и ток) зависит от частоты:
Вот и получается: напряжение мы изменить не можем, емкость постоянна, частота растет, а значит нужно уменьшать DF.
Заключение
Обо всех этих особенностях уже подумали добрые и заботливые производители компонентов, они всё это учли, оптимизировали и продают нам уже готовые решения. И если вам нужен высокочастотный конденсатор, то можно просто в фильтрах на digikey выбрать соответствующее применение и подобрать подходящего кандидата.
Только не забудьте, что RF конденсатор - это керамический конденсатор. Высокочастотных конденсаторов другого типа я не видел и не уверен, что они существуют. У керамических самый низкий ESR и соперничать с ними трудно.
Источники
[1] Taking the Mystery Out of RF Ceramic Capacitors
[2] How to Select High-Frequency Capacitors for RF Circuits
[3] Electronics ABC Capacitors, Part 3 "Ceramic Capacitors [2]"
[4] Capax - Basic capacitor formulas
[5] YouTube channel w2aew - #100: Capacitor self-resonance measured with an oscilloscope and signal generator - how to tutorial
[6] YouTube channel w2aew - #55: Back to Basics: Tutorial on LC Resonant Circuits
[7] Эти загадочные конденсаторы
[8] Диалог с ChatGPT