高速高频设计中的电容

电容器在电子电路中有重要而广泛的用途。与传统的PCB设计相比,高速高密度PCB设计面临很多新挑战,对所使用的电容器提出很多新要求。此外,电容器技术和高速高密度PCB设计技术又都在不断发展。因而在调整高密度PCB设计中,电容器的选择是一个非常值得大家研究的问题。结合高速高密度PCB的基本特点,分析了电容器在高频应用时主要寄生参数及其影响,指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法,总结了适用于高速度高密度PCB的电容器的基本特点,介绍了适用于高速高密度PCB的电容器的若干新进展。

电容器是电子电路中的基本元件之一,有重要而广泛的用途。按应用分类,大多数电容器常分为四种类型:交流耦合,包括旁路(通交流隔直流);去耦(滤除交流信号或滤除叠加在直流信号上的高频信号或滤除电源、基准电源和信号电路中的低频成分);有源或无源RC滤波或选频网络;模拟积分器或采样保持电路(捕获和存储电荷)。

电容器的各类很多,分类方法也较多,根据制造材料和工艺的不同,常用的有以下几类:NPO陶瓷电容器、聚苯乙烯陶瓷电容器、聚丙稀电容器、聚四氟乙稀电容器、MOS电容器、聚碳酸酯电容器、聚酯电容器、单片陶瓷电容器、云母电容器、铝电解电容器、钽电解电容器等。这些电容器各有其特点,以满足不同的应用需要。

现在高速高密度已成为电子产品的重要发展趋势之一。与传统的PCB设计相比,高速高密度PCB设计面临不少新挑战,对所使用的电容器提出很多新要求,很多传统的电容器已不能用于高速高度PCB。本文结合高速高密度PCB的基本特点,分析了电容器在高频应用时主要寄生参数及其影响,指出了需要纠正或放弃的一些传统认识或做法,总结了适用于高速高密度PCB的电容器的基本特点,介绍了适用于高速高密度PCB的电容器的若干新进展。

1、电容器高频应用时寄生参数影响
大量的理论研究和实践都表明,高速电路必须按高频电路来设计。对高速高密度PCB中使用的电容器,基本要求是高频性能好和占用空间小。实际电容器都有寄生参数。对高速高密度PCB中使用的电容器,寄生参数的影响尤为重要,很多考虑都是从减小寄生参数的影响出发的。

实际电容器的寄生参数较多,主要的寄生参数是等效串联电容RS和等效串联电感LS。在分析电路时,为简便计,通常采用图1所示的简化电容器等效模型。一般认为,RS是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻串联构成,LS是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成。

图1 实际电容模型

图1 实际电容模型

由图1可知,电容器的等效阻抗为


图2 电容器的阻抗特性

图2 电容器的阻抗特性

阻抗特性曲线如图2所示。自谐振频率为

在fR点,︱Z︱最小,且等于RS。由此认为,应用先RS和LS都尽可能小的电容器,以使电容器有尽可能小的阻抗和尽可能高的自谐振频率。

以上是分析电容器在高频应用时寄生参数及其影响的常见做法,很多资料上给出的自谐振频率值也是基本这样的前提。

然而,实际项目证明:电容器在高频应用时,自谐振频率不仅与其自身的寄生电感有关,而且还与PCB上过孔的寄生电感、电容器与其它元件(如芯片)的连接导线(包括印制导线)的寄生电感等都有关系。如果不注意到这一点,查资料或自己估算的自谐振频率可能与实际情况相去甚远。另外,在高频应用时,集肤效应和分布参数使连接导线的电阻明显变大,这部分电阻实际上相当于电容器等效串联电阻的一部分,应一并加以考虑。

此外,在实际中,为了达到预期效果,常根据不同电容的性能特点,将不同的电容器并联使用(如将电解电容器与瓷片电容器并联作退耦用)。选择不同的电容器(参数不同)或选择不同的搭配方式,可得到不同的阻抗特性(阻抗特性是分析电容器应用效果的重要依据之一)。有工程师对相关问题进行了全面、深入地研究、并给出了以下结论:
①当RS变小时,阻抗特性曲线的槽变深、峰变高;
②最小阻抗值不一定等于RS(或RS/n,当n个相同的电容器并联时),可以小于RS;
③最小阻抗值不一定出现在fR点;
④对于给定的电容器个数,精心选择各个自谐振频率,且使电容值的种数更多、RS适中,并在一定范围内取值,要比使电容值的种数较少、RS很小,效果更好。

可见,在高速高密度PCB设计中,选择和应用电容器时,需要纠正或放弃一些传统的认识与做法。电容器的实际应用效果,不仅取决于其自身的性能,而且与应用设计和PCB上的具体情况密切相关,只有将这些因素综合加以考虑,所得出的结论才能准确地反映电容器在电路中的作用。

对电容器较复杂的应用设计,作理论分析可能较困难。

2、适用于高速高密度PCB的电容器的基本特点
在高速高密度PCB设计中,虽然不同的具体应用对电容器的具体要求不尽相同,但大多要求电容器具有以下基本特点。

2.1 片式化
片式电容器的寄生电感几乎为零,总的电感可以减小到元件本身的电感,通常只是传统电容器寄生电感的1/3~1/5,自谐振频率可达到同样容量的带引线电容器的2倍(也有资料说可达10倍)。所以,高速高密度PCB中使用的电容器,几科都选择片式电容器。

2.2 微型化
片式电容器的封装尺寸同12060、0805向0603、0402、0201等发展、主流已由0603过渡到0402甚至0201。Murata公司已经生产出01005的微型电容器。微型化不仅满足了高密度的需要,而且可以减小寄生参数和分布参数的影响。

2.3 高频高速化
许多现代化电子产品的速度越来越高,计算机的时钟频率提高到GHz,数字无线传输的频率达到上百GHz以上。因而信号及其高次谐波引起的噪声也相应地出现在更高的频率范围,相应地对电容器的高频性能提出越来越高的要求。

2.4埋容化
随着埋容专利的失效接近,会有越来越多的埋容使用到高频小型化的产品上。

总之,高速高频电子技术的不短发展,对所使用的电容器性能要求越来越高,随着电容器件技术的不断进步,新型电容器也会不断出现。

文章来源:信号完整性

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