Пассивные компоненты, разработанные для увеличения отношения сигнал/шум

11 Дек 2017

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 2014)
Скачать статью в формате PDF (162 КБ)

---

Схемотехника систем специального назначения чрезвычайно разнообразна, однако к ним предъявляются общие эксплуатационные требования: устойчивость к воздействию ударов, вибраций и перепадам температуры, высокая надежность, нормальная работоспособность после длительного простоя, использование компонентов с высокой временной стабильностью параметров.

Разработчики таких систем могут улучшить качество распределения энергии в широком спектре типов сигналов – от цифровых до ВЧ, и удовлетворить указанные выше требования за счет использования пассивных компонентов, специально разработанных с целью повышения производительности и улучшения отношения сигнал/шум.

Обсуждаемые в статье вопросы: низкая индуктивность, низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), конденсаторы для мощных фильтров, танталовые конденсаторы, ВЧ/СВЧ направленные ответвители, индуктивности и LGA-фильтры.

 

Танталовые и керамические конденсаторы: высокая емкость и низкое ESR

Начиная с низкочастотной границы спектра существует множество приложений, относящихся к этой категории, – от беспроводной передачи данных до импульсных лазеров и радаров. Все они имеют нагрузку с высоким мгновенным значением потребляемой мощности, при этом допускается только небольшое изменение напряжения в пределах определенных границ, поскольку устройство оказывается неработоспособным при падении напряжения ниже определенного порога. Динамика изменения нагрузки определяется длительностью импульса, в течение которого должно поддерживаться заданное напряжение, и частотой повторения или коэффициентом заполнения импульсов. В случае «чистой» DC-цепи длина импульса бесконечна, а время удержания будет зависеть от скорости разряда конденсатора (или батареи), питающих схему.

В отношении динамических нагрузок существует два источника перепадов напряжения. Первый – это падение на ESR, то есть на внутреннем сопротивлении элемента или устройства, и второй – это емкостный перепад напряжения, вызванный разрядом накопительного конденсатора с течением времени. Таким образом, в любых импульсных применениях требуется конденсатор с большой емкостью и низким ESR для соответствия критерию удержания. При этом ESR и емкость должны быть измерены на рабочей частоте, которая не обязательно является основной частотой для данного элемента. Это означает, что следует использовать разные методики оценки для разных частот повторения импульсов, длительностей импульсов и самих импульсных нагрузок.

Проще говоря, для того, чтобы поддерживать номинальный уровень напряжения в течение импульса, мгновенное падение напряжения должно быть минимальным, а для длительного удержания напряжения – емкость должна быть максимальной. Кроме того, схема удержания напряжения должна иметь возможность перезаряжаться (или, по крайней мере, подзаряжаться) от источника питания постоянного тока в течение рабочего цикла.

В то время как технологи стремятся создавать конденсаторы, обладающие одновременно большой емкостью и низким ESR, очень часто оптимальное решение обеспечивается при параллельном сочетании этих двух параметров.

В авиационных устройствах, получающих питание от шины постоянного тока 28 В, используются танталовые чип-модули с номинальным напряжением 50 и 63 В (в настоящее время доступны в корпусе DSCC 09009) или танталовые конденсаторы с аксиальными выводами (доступные в обновленном корпусе DSCC 93026 Rev P) в сочетании с набором керамических импульсных емкостей для достижения сверхнизкого значения ESR, что позволяет уменьшить мгновенное падение напряжения и обеспечить высокочастотную емкость за пределами работы танталовых устройств.

Модули серии AVX ST (TurboCap) идеально подходят для решения этой задачи, они объединяют в себе многослойную керамику с низкой ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) геометрией и сверхнизким значением ESR, обеспечивающую наилучшее сочетание фильтрующих свойств и импульсных характеристик хранения, с 50-вольтовой емкостью 220 мкФ.

Для таких распространенных применений, как беспроводная цифровая передача данных, где используются низковольтные усилители мощности (как правило, с напряжением 3,6 В), идеально подходят импульсные супер-конденсаторы или танталовые чип-конденсаторы High CV. Подобные решения применяются в защищенных портативных устройствах для передачи голоса/данных или сканирования/регистрации данных, а также низкопрофильных устройствах (2,1 мм или менее). Для различных режимов беспроводной связи и разной дальности передачи AVX предлагает низкопрофильные суперконденсаторы BestCap (300 мкФ/100 мОм) или импульсные танталовые чип-конденсаторы (3300 мкФ/4 В).

 

Низкая индуктивность – возможность высокой скорости развязывания

В то время как низкий профиль и малые общие габариты относятся к основным требованиям в компактных системах, главная цель состоит в передаче мощных импульсов тока на высокой часто те для осуществления эффективной развязки во все более быстрых цифровых логических микросхемах. Это требование относится не только к портативным, но и к любым системам, где требуется высокая скорость сбора, обработки и передачи данных.

Двигаясь дальше вверх по частотному спектру, на частоте 50 МГц мы попадаем в основной режим развязки интегральных схем (IC), где емкость и ESR остаются приоритетными параметрами. С увеличением скорости IC стандартные конденсаторы демонстрируют рост реактивных параметров. Это означает, что в действительности разработчик размещает рядом с микросхемой L-C цепочку, а не «чистый» конденсатор, что влияет на переходные процессы коммутации тока и, как следствие, ухудшает производительность.

Установка стандартного SMD-конденсатора создает проблему, заключающуюся в том, что размещение 2-выводного чипа на плате образует индуктивную петлю, величина которой зависит от геометрии и размеров его выводов. Соответственно, при проектировании требуются специальные усилия для компенсации этого геометрического эффекта и снижения величины эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). Площадь петли может быть уменьшена при использовании компонентов меньшего размера, однако при этом также снижается величина емкости для определенного сочетания диэлектрических свойств и напряжения. Для решения данной проблемы используются три способа:

1) Уменьшение петли для конкретного размера компонента. У керамических конденсаторов серии AVX LICC выводы находятся не на концах корпуса, а сбоку, что позволяет вдвое снизить индуктивность для определенного сочетания параметров «размер/емкость/напряжение».

2) Разделение индуктивных и емкостных свойств элемента. Чип-конденсаторы серии AVX IDC разработаны для минимизации внутренней индуктивности при работе компонентов в диапазоне частот высокоскоростных ASIC (50–500 МГц).

3) Учет длины сигнальной петли при установке конденсатора на печатную плату. В конденсаторах серии AVX LGA (Land Grid Array) используется специальная конструкция терминалов, сочетающаяся с вертикальной конфигурацией контактных площадок, что обеспечивает очень короткий путь прохождения сигнала и, соответственно, низкую индуктивность при максимальной емкости.

Эффект от использования конфигурированных LGA-конденсаторов для высокоскоростной развязки ASIC нельзя недооценивать. В авионике (самолеты и беспилотные летательные аппараты) неуклонно растет количество высокоскоростных применений, к которым относится телеметрия, системы спутникового слежения, инфракрасная томография (FLIR) и пр. Скорость передачи данных в авиационных системах постоянно увеличивается, поэтому принципиально важным является вопрос использования новых компонентов с оловянно-свинцовыми выводами и с разным рабочим напряжением в критически важных навигационных приложениях. Внедрение LGA-технологии позволяет (при стандартном SMT-процессе сборки) достигать значения ESL менее 20 нГн для обычных двухвыводных SMD-компонентов. Ранее подобный показатель ESL был доступен только при использовании флип-чип-технологии.

 

Технологии РЧ-конденсаторов

Развитие технологий производства конденсаторов для передачи ВЧ-сигналов по высокоскоростным линиям связи нацелено на снижение величины ESR, повышение плотности мощности и снижение размеров. Как правило, РЧ-конденсаторы производятся на основе фарфорового диэлектрика класса 1 с температурной характеристикой NP0 (по стандарту C0G или MIL BP). Среди всех выпускаемых в настоящее время компонентов керамические конденсаторы с NP0 характеристикой имеют наиболее стабильные диэлектрические свойства.

Температурный коэффициент емкости для них составляет 0 ± 30 ppm/ °С, то есть менее ±0,3% C в диапазоне от -55 °С до +125 °С. Допуск номинала или гистерезис для NP0 ничтожен (менее ±0,05%). Типовое изменение емкости в течение срока службы у них меньше ±0,1% при отсутствии характеристики старения.

Компоненты NP0 имеют величину добротности Q более 1000, с изменением частоты добротность и емкость меняются незначительно. Показатель диэлектрической абсорбции у них, как правило, не превышает 0,6% (по этой причине они часто используются для замены слюды).

Типичным примером «рабочей лошадки» в данном случае являются конденсаторы BP CDR 31-35 (стандарт MIL-PRF-55681), предназначенные для работы в РЧ-диапазоне от 10 МГц до 4,2 ГГц с размером до 0805. Типоразмер 0603 доступен в коммерческой или ВСС-версии, которые приближаются к пределу миниатюризации для микроэлектронных применений.

Для применений высокой мощности выпускаются конденсаторы больших размеров, такие как AVX серии HQ, разработанные с целью минимизации ESR и обеспечения максимальной величины Q, что позволяет снизить рассеивание мощности в мощных ВЧ- и СВЧ-устройствах. Эти компоненты имеют наибольшее рабочее напряжение (4 кВ), они ориентированы на схемы с высокими значениями смещения напряжения и/или РЧ-напряжения и обеспечивают значение емкости в диапазоне 10–6800 пФ. Конденсаторы доступны в стандартных корпусах для поверхностного монтажа, а также с выводами в виде микрополосковых лент. Допуск величины емкости составляет от 1 до 20%, по требованию они могут изготавливаться из немагнитных материалов.

Данные компоненты представляют собой идеальное решение для РЧ- применений высокой мощности, таких как магниторезонансные томографы (MRI), мощные промышленные усилители и испытательное оборудование, устройства настройки и согласования импеданса антенн, а также приборы для индукционного нагрева.

Еще одно семейство элементов представляют однослойные конденсаторы (SLC). Емкости номиналом единицы пФ способны работать в диапазоне частот до 30 ГГц, поэтому они используются в оптических приложениях, или, вместе с дополнительными MLCC-конденсаторами, в чип-микросборках для сверхширокополосной связи. Подобные гибридные схемы совместимы с большинством устройств, где применяется подключение путем ультразвуковой сварки выводов.

Использование только одного слоя является важным преимуществом SLC-компонентов. MLCC-приборы характеризуются наличием острого резонанса на импедансной кривой (что важно для систем настройки), но из-за своей многослойной конструкции они имеют более высокие резонансные частоты, это создает проблемы при проектировании РЧ-устройств. Для сравнения отметим, что однослойные элементы не имеют гармонических резонансов.

На рынке появились современные приборы, которые сочетают высокую производительность традиционных SLC-конденсаторов на частоте 10 ГГц с хорошими низкочастотными характеристиками при малом значении ESR, они обеспечивают сверхширокополосную фильтрацию сигнала. Это компоненты AVX серии GX (0,1 мкФ/16 В), доступные в стандартном корпусе 0603, они могут поставляться с оловянно-свинцовыми выводами, а также во встраиваемом исполнении для особо ответственных применений.

 

Тонкопленочные компоненты

«Идеальные» пассивные компоненты должны сочетать в себе стабильность свойств стекла, компактность SMD-конструктива и частотные характеристики SLC-структуры. Решение данных задач возможно с помощью тонкопленочных технологий, основанных на использовании высокостабильных диэлектриков (например, SiO2), нанесенных на стабильную алюминиевую базу и выполненных в форме пластин с кристаллами. На их основе можно изготовлять высокостабильные конденсаторы типоразмером вплоть до 0201.

Полученные таким образом чипы дополнительно обрабатываются с помощью методов фотолитографии и плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Фотолитография позволяет получить прецизионную геометрию элементов, что дает крайне высокую точность и жесткие допуски при изготовлении. Преимуществом низкотемпературного PECVD-процесса является высокая проводимость электродных слоев, что, в свою очередь, обеспечивает оптимальные мощностные характеристики.

Описанная выше технология позволяет получить чрезвычайно стабильные диэлектрические свойства и однослойную структуру (позволяющую устранить гармоники), она легко моделируется и обладает высокой повторяемостью. Характеристики разработанных таким образом компонентов будут очень точно воспроизводиться при серийном производстве, от месяца к месяцу, из года в год. Использование подобных дискретных элементов при разработке схемы позволяет снизить первоначальные затраты на проектирование и обеспечить гибкость конструкции на всем протяжении проекта.

Благодаря высокой точности эти компоненты могут быть использованы для тонкой настройки любой схемы и ее модификации, или даже внесения оперативных изменений в конструкцию, например, для соответствия требованиям FCC (Федеральная комиссия по коммуникациям). Еще одним преимуществом прецизионной тонкопленочной технологии является возможность изготавливать конденсаторы с заданными значениями емкости, если это требуется для схемы настройки.

Малошумящий усилитель (LNA – Low Noise Amplifier) является одним из наиболее критических узлов приемного устройства. Чтобы добиться его максимальной производительности, необходимо иметь высокостабильную схему смещения и точного согласования импеданса. Тонкопленочные технологии позволяют производить дискретные конденсаторы и дроссели с высокой добротностью, низкой величиной ESR и очень низкими отклонениями емкости (±0,01 пФ) и индуктивности (±1 нГн). Это позволяет не только улучшить качество LNA, но и реально расширить возможности производства благодаря устранению необходимости тонкой настройки устройства в процессе изготовления.

Такие же компоненты могут быть использованы для точного согласования входных и выходных характеристик усилителя мощности (РА – Power Amplifier). Благодаря низкому значению потерь тонкопленочных конденсаторов и индуктивностей усилитель может передать в антенну большую мощность. Это позволяет повысить эффективность работы РА и улучшить его тепловые характеристики.

Согласование характеристик антенн является важнейшим вопросом проектирования. Доступное для размещения антенны пространство постоянно сокращается, что, как правило, не позволяет обеспечить идеальность их конструкции. Эта ситуация почти всегда требует применения схемы согласования импеданса антенны. Тонкопленочные конденсаторы и дроссели идеально подходят для решения задачи точного согласования импеданса, что позволяет обеспечить максимальную передачу энергии при любых условиях работы и минимизировать потери на выходе усилителя мощности или на входе LNA.

Помимо высокой точности микроминиатюрных емкостей и индуктивностей, тонкопленочная технология PECVD также позволяет повысить уровень интеграции. Объединение конденсатора и дросселя на одной подложке формирует LC-фильтр низких частот (ФНЧ), как показано на рис. 7.

Подобные элементы могут быть выполнены в миниатюрном конструктиве (до 0402), они занимают очень мало места на плате, их применение позволяет снизить стоимость изделия за счет сокращения числа компонентов. Тонкопленочные фильтры обеспечивают высокий коэффициент подавления вне полосы пропускания (>30 дБ) при низком уровне вносимых потерь (<3 дБ), что необходимо для радиочастотных усилителей PA и NDA.

Тонкопленочные фильтры также могут использоваться для изоляции несущей частоты на выходе смесителя после преобразования. Они имеют внутренний импеданс 50 Ом, поэтому нет необходимости во внешнем согласовании, а свойства материалов проводников позволяют им поддерживать мощность до 3 Вт в непрерывном режиме работы.

Направленный ответвитель – это устройство, предназначенное для отбора полезного ВЧ/СВЧ-сигнала при минимальных потерях в сигнале. Тонкопленочные компоненты на основе связанных индукторов обеспечивают очень высокую направленность (параметр, характеризующий соотношение изоляции и коэффициента связи) и низкий уровень вносимых потерь. Такие ответвители позволяют получить наивысший коэффициент направленности из всех компонентов, доступных на современном рынке в миниатюрных корпусах типоразмера до 0402. В диаграмме на рис. 8 ответвитель используется для выборки выходного сигнала и передачи его на схему регулирования коэффициента передачи усилителя мощности. Как и в случае с ФНЧ, эти ответвители способны работать при 3 Вт непрерывной мощности.

Работа направленных ответвителей основана на принципе связи по электрическому полю. Поле, создаваемое линией передачи, последовательной с цепью сигнала, воздействует на соседний проводник через воздух или диэлектрическую среду. Элементы ответвителя могут быть включены в модуль LTCC, такая структура позволяет использовать сосредоточенные элементы вместо связанных линий для производства направленных ответвителей с коэффициентом связи 10 дБ. Однако тонкопленочные технологии имеют ряд преимуществ в этой области: благодаря малой ширине линий удается получить высокий коэффициент связи, для гибридных ответвителей типоразмера 0603 он достигает 3 дБ.

Ответвитель с конфигурацией портов, показанной на рис. 7 предназначен для передачи 3 дБ (половина мощности) сигнала на другой канал с дополнительным 90° фазовым сдвигом. Это может быть очень полезно в устройствах с I-Q-архитектурой, где каналы имеют сдвиг фаз 90°. С помощью гибридного ответвителя, установленного на выходе генератора, могут быть созданы локальные осцилляторы (LO) для I- и Q-секций. Он также оказывается полезным при использовании двух усилителей, обеспечивающих улучшение линейности путем разделения мощности между двумя цепями и последующего суммирования усиленного сигнала. Такое решение дает возможность снизить уровень гармоник, повысить КПД и коэффициент передачи усилителя.

Тонкопленочные технологии идеально подходят для мало-сигнальных приложений, а созданные на их основе элементы по уровню рабочего напряжения значительно превосходят керамические аналоги. Благодаря этому они демонстрируют очень высокую надежность и оптимальные характеристики в критически важных режимах. Тонкопленочные компоненты выпускаются с оловянно-свинцовыми выводами, применение которых необходимо во многих устройствах специального назначения, а также с оловянно-серебряными выводами, используемыми для высокотемпературной сварки.