Частотные характеристики пассивных компонентов

Подробности

Автор: EngineerDeveloper®

       Для корректной работы проектируемого устройства необходим внимательный подбор пассивных компонентов. Необходимо подробно рассмотреть характеристики пассивной элементной базы будущего устройства и предварительной компоновки корпусов на плате.

         Зачастую разработчики не придают особого значения рабочей частотной области пассивных компонентов при подборе элементной базы для будущего устройства. Это приводит к непредсказуемым результатам.   Хочу отметить, что этот касается не только высокочастотных аналоговых устройств, так как ВЧ-сигналы оказывают сильное воздействие на пассивные НЧ-компоненты по средствам гальванической связи или излучая. К примеру, простой активный НЧ-фильтр на ОУ может работать как ВЧ-фильтр при воздействии на его вход высокой частотой.

 

Резисторы

         Резистор на высоких частотах обладает собственной индуктивностью, ёмкостью и сопротивлением. См. рис. 5.

         Резисторы можно разделить на три основных типа: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Проволочный резистор по своей структуре представляет собой катушку из высокоомного металла, откуда и появляется его собственная индуктивность. Аналогичная структура у пленочных конденсаторов, поэтому пленочные конденсаторы так же обладают индуктивностью. Индуктивные свойства пленочных резисторов проявляются в меньшей мере, чем у проволочных. Пленочные резисторы  номиналом до 2 кОм можно смело использовать в ВЧ схемах.

         Так как выводы резисторов параллельны друг другу, следовательно, между ними присутствует существенная  ёмкостная связь. Чем больше номинал резистора, тем меньше межвыводная ёмкость.

 

Конденсаторы

         Эквивалентная схема конденсатора в области высоких частот приведена на рис. 6.

Конденсаторы в схемотехники применяются как развязывающие и фильтрующие элементы. Для расчета реактивного сопротивления конденсатора обратимся к следующей формуле:

         Отталкиваясь от вышеуказанной формулы, рассчитаем реактивное сопротивление конденсатора ёмкостью 10 мкФ на частотах 10кГц и 100 МГц. Расчётные величины получились следующие 1,6 Ом  на 10кГц и 160 мкОм на 100 МГц. А теперь проверим так ли на самом деле.

         На практике никто не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой слои фольги, которые и создают паразитную индуктивностью. В то время как у керамических конденсаторов эффект собственной индуктивности гораздо меньше, поэтому их часто применяют в высокочастотных схемах. Кроме упомянутой собственной индуктивности, конденсаторы так же обладают определенным паразитным током утечки. Природа возникновения тока утечки эквивалентна тому случаю, если параллельно конденсатору подключить резистор. Величина тока утечки не большая так как электролит не является хорошим проводником.

         Все упомянутые сопротивления складываются и создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Исходя из вышесказанного отметим, что конденсаторы, применяемые в развязывающих цепях, должны обладать малым ESR. Это объясняется тем, что последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры устройства  так же значительно влияет на изменение ESR, увеличивается.  Поэтому, при использовании алюминиевого электролитического конденсатора при повышенных рабочих температурах, необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа.

          Выводы конденсаторов так же вносят паразитную индуктивность. Если применены конденсаторы малой ёмкости, тогда необходимо выводы делать короткими. Паразитная индуктивность может послужить образованием резонансных паразитных контуров на плате. Учитывая, что паразитная индуктивность выводов составляет порядка 8 нГн на один сантиметр длины, конденсатор ёмкостью  0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь паразитный резонанс  на частоте около 12,5 МГц.

         При использовании электролитических конденсаторов следует внимательно располагать, подключать конденсатор на плате. Положительная обкладка должна быть подключена к плюсу, линии подключающие конденсатор должны быть максимально короткими. При некорректном подключении конденсатора токи начинают протекать через электролит с скорым выходом из строя самого конденсатора.

         Существуют так же устройства, в которых разность потенциалов по постоянному току между двумя точками может менять свой знак. В подобных случаях применяют неполярные электролитические конденсаторы.

 

Индуктивности

         Эквивалентная схема индуктивности в области высоких частот приведена на рис. 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается по следующей формуле:

         Из формулы видно, что индуктивность номиналом 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 ом на частоте 10 кГц, на частоте 100 МГц расчётная величина составит 6.28 МОм.

         Полученная при расчете величина реактивного сопротивления 6.28 МОм является теоретической, так как на практике индуктивности с таким реактивным сопротивлением не бывает. Паразитное сопротивление возникает, так как катушка – это намотанный провод, который и обладает определенным сопротивлением.  При этом любая индуктивность так же имеет паразитную ёмкость, которая возникает по причине межвитковой емкостной связи. То есть витки располагаются параллельно друг другу, что и даёт емкостную связь. Паразитная ёмкость ограничивает верхнюю рабочую частоту индуктивности. Проволочные индуктивности не больших размеров теряют свою эффективность в диапазоне частот 10…100 МГц.

 

         Печатная плата

         Печатной плате так же присуще все описанные свойства пассивных компонентов, но эти свойства не так ярко выражены.

         Печатные   проводники на печатной плате могут быть как источниками помех, так и приёмниками (антенной). Грамотная трассировка печатной платы сводит к минимуму излучаемые и наводящие помехи. Так как любой проводник на печатной плате можно рассматривать как антенну, обратимся к основам теории антенн.

 

         Основы теории антенн

         Одним из основных типов антенн является «штырь» или в нашем случае – прямой проводник. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие:

На постоянном токе и  при низких частотах преобладает активная составляющая. При увеличении частоты реактивная составляющая оказывается более значимой.

         Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

           В среднем печатный проводники на плате обладают индуктивностью 6…12 нГн на сантиметр длины. К примеру, проводник длиной 10 см имеет сопротивление 57 МОм и индуктивность 8 нГн на сантиметр. На частоте 10 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 МОм, а на более высоких частотах проводник необходимо рассматривать как индуктивность, нежели проводник с активным сопротивлением.

Штыревая антенна начинает функционировать при соотношении длины волны к длине антенны 1/20. Поэтому 10-ти сантиметровый проводник послужит хорошей антенной на частоте  свыше 150 МГц. Возвращаясь к печатным платам отмечу, что к примеру генератор тактового сигнала может и не иметь частоты равной 150 МГц, а вот высшие гармоники от тактового генератора могут стать источником высоких частот.

         Другим одним из основных типов антенн является петлевая антенна. Индуктивность прямого проводника существенно увеличивается при изгибах. Увеличенное значение индуктивности проводника снижает частоту, на которой чувствительность «антенны» максимальна.

         Опытные разработчики печатных плат, имеющие представления об эффекте  петлевых антенн, отмечают, что нельзя строить топологию таким образом, чтобы образовывалась петля для критических сигналов. В противном случае образовываются петли из проводников прямого и обратного хода токов. См. рис.8.  На рисунке так же отражен эффект щелевой антенны.

Рассмотри подробнее три варианта рисунка 8.

 

         Вариант А: Самый неудачный из представленных. В нем не используются полигоны земли, Петлевой контур образуется земляным и сигнальным проводниками. Следует помнить, что при соотношении длины волны к проводнику 1/20 петлевая антенна достаточно эффективна.

 

         Вариант Б: По сравнению с вариантом А это вариант лучше. Но здесь виден разрыв в земляном полигоне. Пути прямого и возвратных токов образуют щелевую антенну.

 

         Вариант В: Этот вариант самый наилучший. Пути сигнальных и обратных токов совпадают, тем самым эффективность петлевой антенны ничтожно мала. Стоит отметить, что в этом варианте так же присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

 

         Теория отражений и согласований проводников идентична той, что рассмотрена в теории антенн.

         При повороте печатного проводника на угол в 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит из-за изменения ширины проводника. В углу проводника ширина трассы увеличивается  в 1,414 раза, что приводит к рассогласованности линии связи, распределенной ёмкости и индуктивности трассы. Современный системы автоматического проектирования предлагают  различные виды сглаживания углов см. рис. 9.

Самым наилучшим из представленных вариантов поворота является третий вариант, так как ширина его проводника неизменна.