Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 20 июля
 
 


Это интересно!

Новости

Россиян перестанут сажать за GPS-трекеры и якобы шпионские фотокамеры


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Основные пути развития современных систем электропитания для радтоэлекронных устройств специального назначения

В статье анализируются отечественные системы электропитания, в основном, применительно к использованию в специальной технике. Приводится перечень мероприятий, необходимых для ликвидации отставания отечественной продукции от аналогичных зарубежных изделий.

Отечественные постоянные непроволочные и СВЧ-резисторы. Состояние и перспективы производства

Резисторы являются самыми массовыми изделиями электронной техники. Они применяются практически во всех видах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также в различных приборах и устройствах производственного, военного и бытового назначения. В статье рассматриваются постоянные непроволочные резисторы — наиболее массовый класс изделий. в количественном выражении доля постоянных непроволочных резисторов в общей структуре рынка резисторов доходит до 95%

Производители электрических соединителей для установки на печатную плату и их поставщики на российском рынке

 

5 апреля

Конденсаторы. Так ли всё просто?

На примере керамических чип-конденсаторов рассмотрены отличия реальных конденсаторов от идеальных и указаны ограничения при применении, возникающие вследствие [[этих отличий]].



З

ачастую конденсатор представляется едва ли не самым простым элементом электрической схемы, и во многих случаях именно так и обстоят дела, например, для низкочастотных усилителей сигналов, спектры которых не превышают нескольких десятков килогерц. Однако существует ряд приложений, для которых подобное утверждение неприемлемо.
Речь, прежде всего, идет о технике высоких частот, беспроводных технологиях и цифровой электронике.
В этом случае спектры сигналов простираются от многих сотен килогерц до десятков гигагерц. Встречаются ситуации, когда в пределах одного изделия правомерны оба подхода.
Наглядным примером могут служить системы сбора и обработки данных.
Такие системы обычно состоят из усилительного тракта, в котором происходит усиление и формирование амплитудно-частотных характеристик относительно медленно изменяющихся сигналов, и центрального процессорного устройства, работающего с тактовой частотой в несколько десятков или даже сотен мегагерц.
Эквивалентная схема реального конденсатора и соответствующая ей векторная диаграмма приведены на рисунке 1, а в таблице 1 показаны соотношения между параметрами эквивалентной схемы конденсатора [1]. Рассмотрим физический смысл параметров схемы замещения.
- С0 - идеальный конденсатор без потерь, потребляющий из сети только реактивную мощность.
- RS - эквивалентное последовательное сопротивление реального конденсатора, потребляющего из сети активную мощность. Наличие этого параметра обусловлено двумя факторами. Во-первых, потерями в диэлектрике; во-вторых, сопротивлением выводов конденсатора. На частотах до нескольких сотен килогерц преобладает первый фактор, а на частотах свыше 1 МГц - второй. Последнее объясняется поверхностным эффектом, когда при увеличении частоты в n раз сопротивление увеличивается в раз. Величина RS также зависит от типоразмера конденсатора и его емкости и обычно лежит в пределах от 0,02 Ом на низких частотах до 0,5 Ом на высоких частотах. В англоязычной литературе для обозначения RS используется термин Equivalent Serial Resistor (ESR). Значение ESR обычно приводится в документации производителя.
- LS - эквивалентная последовательная индуктивность реального конденсатора. В основном определяется индуктивностью его выводов и зависит от типоразмера. Для керамических чип-конденсаторов эта величина находится в диапазоне от 0,7 нГн для типоразмера 0508 до 1,2 нГн для типоразмера 1206, а индуктивность конденсаторов с аксиальными выводами достигает 2,0 нГн. Эти данные взяты из материалов фирм AVX и TEMEX и несколько отличаются друг от друга, что, скорее всего, объясняется различными методиками измерений. В англоязычной литературе для обозначения LS используется термин Equivalent Serial Inductance (ESI). Величина ESI не приводится в документации производителя.
Ее значение часто можно найти в технической документации, представленной на сайте фирмы.
- СР - эквивалентная параллельная емкость реального конденсатора.
Ее наличие объясняет явление резонанса токов (в англоязычной литературе: parallel resonance) в реальном конденсаторе. Значение частоты FPR, при которой наступает этот резонанс, обычно не сообщается изготовителем, но может быть приведено в технической документации, например [2].
- Кроме того, часто применяют следующие термины: добротность (Q); Dissipation Factor (DF) и реактивное сопротивление связи, выражаемое равенством:


Величина импеданса реального конденсатора определяется из соотношения:

График зависимости импеданса от частоты для конденсатора АТС1000А101 емкостью 100 пФ фирмы ATCeramic показан на рисунке 2. При равенстве емкостной XС и индуктивной XL составляющих наступает резонанс токов (serial resonance).
Частота, при которой происходит данный вид резонанса, может быть вычислена по формуле

Значение резонансной частоты практически всегда приводится в документации изготовителя, например в [3].
Отличия реального конденсатора от идеального накладывают определенные ограничения на его применение.
Условно их можно разделить на два вида - эксплуатационные, обусловленные потерями мощности в реальном конденсаторе, что приводит к его нагреву; функциональные, вызванные в основном наличием паразитной индуктивности LS, из-за чего на частотах, превышающих резонансную FSR, конденсатор ведет себя как индуктивность, а не как емкость.
Начнем рассмотрение реального конденсатора с эксплуатационных ограничений, абсолютное большинство которых проявляется при работе в цепях переменного тока. Главными лимитирующими факторами являются: температура окружающей среды ТАМВ, среднеквадратичные значения напряжения URMC и тока IRMS. При пониженной температуре ТАМВ заметно возрастает значение DF, что приводит к уменьшению максимально допустимых значений напряжения URMC и тока IRMS. В таблице 2, заимствованной из [4], указаны по правочные коэффициенты для разных значений ТАМВ. Обычно при анализе ограничивающих факторов полосу рабочих частот конденсатора разбивают на три интервала - низкие, средние и высокие частоты [4]. В низкочастотной области основным ограничивающим фактором является напряжение URMC_MAX, величина которого определяется из соотношения:
,
где UR_MAX - максимально допустимое значение постоянного напряжения.
Иногда изготовитель приводит максимально допустимые значения и постоянного, и переменного напряжений.
В последнем случае часто указывается величина амплитуды [3].
Граничное значение частоты F1 для низкочастотной области можно вычислить из формулы
,
где PV_MAX - максимально допустимое значение рассеиваемой мощности, величина которой зависит от типоразмера конденсатора и температуры ТАМВ.
Например, для конденсатора с типоразмером 1206, емкостью 330 нФ и максимально допустимым значением постоянного напряжения 25 В величина F1 составит 30,6 кГц.
В таблице 3 приведены значения PV_MAX для различных типоразмеров конденсаторов при температуре окружающей среды 20°С [4].
Для расчета максимально допустимой мощности рассеяния при иной температуре удобнее воспользоваться данными таблицы 4 из [5] и известным соотношением:
,
где ?T - отличие температуры конденсатора от температуры окружающей среды.

В области средних частот основным лимитирующим фактором является рассеиваемая мощность. Граничное значение частоты F2 для этой области определяется соотношением

Для конденсатора емкостью 330 нФ, типоразмера 1206 и IRMS_МАХ = 2 А граничная частота области средних частот составит 600 кГц.
Для области высоких частот ограничением обычно является максимально допустимое значение среднеквадратичного тока IRMS_МАХ, величину которого в первом приближении можно получить из (3). Однако, учитывая зависимость параметра RS от частоты и емкости конденсатора, целесообразнее воспользоваться информацией, содержащейся в технической документации фирмы-изготовителя.
Превышение рабочих параметров конденсатора над максимально допустимыми параметрами, рассмотренными выше, обычно не приводит к немедленному отказу конденсатора (разумеется, речь не идет о чрезвычайно больших перегрузках, вызывающих механические повреждения, например, расплавление конденсатора или электрический пробой диэлектрика), но может существенно сократить срок его службы. В [6] приведено соотношение для вычисления времени наработки на отказ при работе конденсатора с параметрами, отличающимися от максимально допустимых.

где t - время наработки на отказ; T - температура, °К; U - напряжение; К - постоянная Больцмана (К = 8,617 Ѕ 10-5); EB - тепловая энергия электрона в диэлектрике, приблизительно равная 1 эВ при комнатной температуре; .
Индекс "1" в этой формуле соответствует работе при максимально допустимых параметрах, а индекс "2" - значениям параметров при эксплуатации. В таблице 5 приведены результаты расчетов по формуле (4) для конденсаторов фирмы ATCeramic, предназначенных для применения в военной промышленности.
Из таблицы видно, что при работе конденсатора с параметрами меньше максимально допустимых время наработки на отказ увеличивается. Указанная закономерность сохраняется при уменьшении рабочих параметров примерно до 70% от максимально допустимых. Дальнейшее уменьшение нецелесообразно, так как не приводит к увеличению времени наработки на отказ.
Рассматривая реальный конденсатор, необходимо упомянуть еще одно явление, отличающее его от идеального - старение диэлектрика.
Количественная оценка этого эффекта приведена в [7].
,
где С2 - величина емкости измеренная в момент времени t1; С1 - величина емкости измеренная в момент времени t2; А - коэффициент старения диэлектрика. Значение величины А и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, приведенные в таблице 6, также позаимствованы из [7]. Обычно значение С1 контролируется через 1 час после производства конденсатора. Диэлектрики, в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, подразделяются на два класса. К классу К1 относятся диэлектрики с температурной стабильностью, малыми потерями мощности и небольшим коэффициентом старения, но с малой диэлектрической проницаемостью (менее 1000) и, как следствие, с малой величиной емкости. Конденсаторы с этими диэлектриками применяются в генераторах, фильтрах и в других приложениях, требующих повышенной точности и стабильности. Для диэлектриков класса К2 характерны большие значения диэлектрической проницаемости и емкости, но низкая температурная стабильность и значительная величина коэффициента старения.
Такие конденсаторы находят применение в байпасных и разделительных цепях.
Сегодня довольно активно ведутся работы по созданию диэлектриков, совмещающих преимущества обоих классов. Значительных успехов в этом направлении добилась японская фирма Murata, инженерам которой удалось создать конденсатор 1206/0,1 мкФ/50 В с характеристиками U2J, близкий по своим свойствам к характеристикам COG, [8].
Одним из возможных приложений для использования такого конденсатора являются устройства фазовой автоподстройки частоты.
Функциональные ограничения применения реального конденсатора проявляются по мере приближения области рабочих частот к резонансной частоте FSR (см. рис. 2). При увеличении рабочей частоты свыше FSR в импедансе конденсатора (1) начинает преобладать индуктивная составляющая, и он уже не пригоден для использования в качестве емкостного элемента электрической цепи. Рассмотрим разделительные и байпасные цепи, в которых отличия реального конденсатора от идеального проявляются наиболее отчетливо.
В разделительных цепях главной задачей является минимизация импеданса конденсатора в полосе рабочих частот. Если исходить из свойств идеального конденсатора, импеданс которого определяется известным соотношением:

то для его уменьшения необходимо использовать конденсатор с большим значением емкости С0. Однако, действуя подобным образом, мы рискуем получить диаметрально противоположный результат. Как следует из (2), при увеличении емкости конденсатора уменьшается его резонансная частота FSR. По данным, приведенным в [3], резонансная частота для конденсатора емкостью 1000 пФ составляет примерно 70 МГц, а для конденсатора емкостью 2,2 мкФ - около 1 МГц. Как только по мере увеличения емкости конденсатора его резонансная частота окажется меньше полосы рабочих частот, дальнейшее увеличение емкости приведет к увеличению импеданса конденсатора и ухудшению частотных характеристик устройства.
Для того чтобы избежать подобного рода недоразумений, увеличивать емкость разделительной цепи следует не за счет применения конденсатора большой емкости, а за счет параллельного включения нескольких конденсаторов [9]. В этом случае эквивалентная емкость увеличивается пропорционально числу параллельно включенных конденсаторов, а паразитные сопротивления и индуктивность уменьшаются во столько же раз (см. рис. 3). В результате резонансная частота остается без изменения, а импеданс разделительной цепи уменьшается.
Если требуется уменьшить импеданс разделительной цепи, работающей в широком диапазоне частот, то возможно параллельное включение конденсаторов с различной емкостью, так чтобы резонансные частоты параллельно включенных конденсаторов были равномерно распределены по всей рабочей полосе. Для уменьшения неравномерности характеристики импеданса, неизбежно возникающей при таком включении, рекомендуется использовать конденсаторы с величиной добротности не менее 5, а также увеличить число параллельно включенных конденсаторов с различной величиной емкости [9].
Применение конденсаторов в байпасных цепях, где они устанавливаются между шиной питания и общей шиной, имеет свои особенности.
Для выбора величины емкости байпасного конденсатора можно руководствоваться рекомендациями, приведенными в [10]. В этой статье частота колебаний FE напряжения на шине питания, вызванных переключением микросхемы из одного логического состояния в другое, и время переключения микросхемы связаны формулой:
,
где TE - время нарастания или спада фронта сигнала.

Исходя из этого соотношения в [10], предлагается выбирать резонансную частоту байпасного конденсатора FSR равную частоте FE. Например, при длительности фронта нарастания равной 1,5 нс в соответствии с (6) получаем значение резонансной частоты 233 МГц. В технической документации изготовителя, допустим в [2], выбираем конденсатор емкостью 820 пФ или 1000 пФ серии СНВ с повышенной добротностью. Следует отметить, что конденсаторы общего назначения [3] не подойдут для рассматриваемого примера, так как максимальная резонансная частота этих конденсаторов не превышает 80 МГц. Для операционных усилителей частота FE обычно равна частоте единичного усиления. Такой же следует выбирать и резонансную частоту байпасного конденсатора.
В состав любого изделия обычно входит несколько типов микросхем с разными динамическими параметрами, соответственно и в байпасных цепях должны применяться конденсаторы с различными резонансными частотами. Это утверждение не является откровением. Любой разработчик, не задумываясь, устанавливает около разъема, на который подключается питание, электролитический конденсатор и параллельно с ним керамический. При таком соединении электролитический конденсатор с большой емкостью и малым значением резонансной частоты сглаживает низкочастотные пульсации напряжения на шине питания, а керамический конденсатор - уменьшает высокочастотные составляющие.
Из сказанного следуют два вывода.
Во-первых, величину емкостей и резонансную частоту байпасных конденсаторов, устанавливаемых в непосредственной близости около микросхем, следует выбирать исходя из динамических параметров этих микросхем.
Во-вторых, в случае, когда на печатной плате установлены микросхемы с различными динамическими параметрами, в байпасных цепях, размещаемых около разъема питания, также следует устанавливать не один, а несколько керамических конденсаторов, резонансные частоты которых соответствуют этим параметрам. К сожалению, перечисленные рекомендации не являются панацеей от всех бед. Дело в том, что реальный конденсатор (см. рис.1) представляет собой колебательное звено второго порядка, в котором при подаче на его вход импульса возникает собственный переходный процесс, имеющий явно выраженный колебательный характер.
Причем амплитуда колебаний тем больше, чем меньше длительность фронта входного импульса. Именно в этом обстоятельстве и заключается суть проблемы.
По мере возрастания быстродействия цифровых микросхем ухудшается способность конденсатора сглаживать пульсации на шине питания из-за увеличения амплитуды колебаний переходного процесса, возникающего в самом конденсаторе. В подтверждение сказанного приведем осциллограмму проводимых фирмой AVX [11] испытаний конденсаторов, на которой отчетливо виден собственный колебательный процесс, возникающий в устройстве при подаче на его вход прямоугольного импульса (см. рис. 4).
В первом приближении для оценки возможности использования конденсатора в байпасной цепи помогает следующее неравенство:

. Чем сильнее выполняется это неравенство, тем меньше влияние собственного переходного процесса в конденсаторе. Если соотношение (7) не выполняется, то конденсатор мало пригоден для данного применения.
Паразитная индуктивность конденсатора обычно не нормируется изготовителем, но может быть легко вычислена из соотношения (2).
Для уменьшения колебаний, возникающих на шине питания вследствие описанных выше проблем, некоторые фирмы-изготовители цифровых микросхем рекомендуют в качестве байпасной цепочки использовать RC-цепи с величиной сопротивления 1…2 Ом. Действительно, в этом случае колебания уменьшаются, но такое решение возможно лишь для микросхем с потреблением несколько миллиампер.
К тому же подобным образом нельзя сформировать байпасную цепь, устанавливаемую на печатной плате около разъема, через который подключается питание.
Единственное решение описанной проблемы заключается в разработке и применении конденсаторов с уменьшенной паразитной индуктивностью.
В качестве примера можно привести серии массивов конденсаторов DCAP, LP-LICA и LICA, изготавливаемых в корпусах BGA, разработанных фирмой AVX при сотрудничестве с компанией IBM [12]. В массив входят от 32 до 48 конденсаторов емкостью от 42 до 100 нФ. Паразитная индуктивность этих устройств не превышает 50 пГн, что существенно меньше, чем у обычных чип-конденсаторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существуют приложения, в которых конденсатор не может рассматриваться как идеальный элемент электрической цепи с импедансом, определяемым по формуле (5). В таких приложениях необходимо учитывать паразитные сопротивления и индуктивность реального конденсатора, импеданс которого вычисляется из соотношения (1). В подобных случаях выбор устройства осуществляется не столько по величине емкости, сколько по величине резонансной частоты реального конденсатора.
Значение резонансной частоты конкретного типа конденсатора всегда можно найти в технической документации изготовителя. При этом следует учитывать, что конденсаторы различных серий одного производителя, а тем более конденсаторы различных фирм-изготовителей могут иметь разную резонансную частоту, несмотря на одинаковую величину емкости.
Возможны случаи (при невыполнении неравенства (7)), когда выбор реального конденсатора только по величине резонансной частоты неправомерен.
В этой ситуации необходимо использовать устройства с минимальным значением паразитной индуктивности.
Например, массивы конденсаторов, выпускаемые фирмой AVX [12], или аналогичные им.

ЛИТЕРАТУРА
1. www.atceramics.com
2. www.temix.com
3. www.wima.com
4. www.epcos.com
5. www.yageo.com
8. www.murata.com
9. www.avx.com

 

Оцените материал:

Автор: Леонид Чанов, к.т.н.



Комментарии

0 / 0
0 / 0
 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты