Трехвыводные проходные конденсаторы в цепях питания высокочастотных устройств

Проходные конденсаторы – не новость в радиоэлектронной промышленности: они были открыты сразу за обычными двухобкладочными конденсаторами и находили применение в высокочастотных узлах ламповых устройств аппаратуры связи. Сегодня значение проходных конденсаторов представляется в новом ракурсе.

Увеличение рабочих частот цифровых интегральных схем является сейчас основной устойчивой тенденцией в электронике. Для уменьшения влияния помех на микросхемы устройства необходима стабилизация напряжения питания высокочастотных устройств и снижение влияния их работы на остальную часть электронного узла (развязка по питанию).

Обычно для таких целей используются многослойные керамические конденсаторы, монтируемые непосредственно в цепи питания высокочастотных узлов и рядом с многоцелевыми микросхемами. На частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций резко падает из-за импеданса конденсатора (его внутренней индуктивности) – последовательного индуктивного сопротивления. И хотя специалисты-практики устанавливают чип-конденсаторы по питанию даже на частотах 2…3 ГГц и утверждают, что нет необходимости устанавливать сглаживающие конденсаторы на частотах свыше 10 МГц (якобы, таким эффектом можно пренебречь), речь идет об установке одного высокоэффективного проходного конденсатора вместо нескольких обычных чип конденсаторов. В случаях, когда источник питания удален от микросхем, работающих с сигналами высокой частоты, установка сглаживающих элементов необходима. Часто можно заметить на современных печатных платах «обвеску» микросхем, работающих на высокой частоте, многочисленными чип-конденсаторами, соединенными параллельно. Выводные (керамические, дисковые и подобные им) конденсаторы в данном случае применять нельзя из-за дополнительной индуктивности их выводов, существенно влияющей на подавление помех от высокочастотного узла. Особенно хорошо помеха и наводки хорошо фиксируются приборами при удалении электронного высокочастотного узла от источника питания.

Для решения этой проблемы производители конденсаторов выпускают специальные серии конденсаторов с максимально сниженной эквивалентной индуктивностью (ESL). При этом выводы таких чип конденсаторов располагаются по длинной стороне их корпуса, что позволяет снизить эквивалентную индуктивность примерно вдвое относительно тех типов, где выводы располагаются по коротким торцевым сторонам корпуса.

Однако, если устройство предназначено для работы в частотном диапазоне более 100 МГц, такого подхода недостаточно. Японская фирма «Murata» предложила свою разработку серии трехвыводных проходных конденсаторов высокой емкости. Это  компактные чип-компоненты размерами 2,0×1,25 мм на основе диэлектрика X7R.

Сравнение конденсатора новой серии NFM18P с обычным многослойным керамическим конденсатором на практике показывает почти 10-кратное снижение импеданса у нового типа конденсатора на высоких частотах свыше 100 МГц, связанное со сниженной конструктивной индуктивностью.

Для примера приведу простой эксперимент, который можно повторить в любой оснащенной лаборатории. Нужен понадобятся источник питания, высокочастотный осциллограф и генератор с частотой 10 МГц, который можно собрать самостоятельно с микросхемой технологии КМОП. Подключим параллельно стабилизированному источнику питания с фиксированным постоянным напряжением 5 В любой генератор. Автор использовал генератор на микросхеме КР1561ЛЕ5, выдающий на выходе прямоугольные импульсы. Длина неэкранированных проводников от источника питания до генератора — 1м. Осциллографом зафиксируем уровень высокочастотных пульсаций на выводе питания микросхемы.

Амплитуда пульсаций составляет примерно 1 В, причем частота данной помехи соответствует частоте выходных импульсов генератора. Теперь подключим параллельно выводам питания микросхемы многослойный керамический конденсатор Murata MLCC 1206 X5R и снова взглянем на экран осциллографа. Помеха присутствует, но ее амплитуда уменьшилась до 0,65 В. Теперь вместо многослойного конденсатора с диэлектриком X5R включим проходной конденсатор NFM18PC105R (здесь проходной конденсатор включен в качестве фильтра) и замерим показания осциллографом в той же точке – непосредственно у выводов конденсатора, установленного вблизи микросхем. Уровень пульсаций сократился до 0,3 В. Примерно тот же эффект получается, если параллельно выводам питания (непосредственно у выводов микросхемы) установить 10 многослойных керамических конденсаторов марки MLCC 0201-2220 с диэлектриком X7R. Один трехвыводной конденсатор марки NFM18P заменяет по качеству фильтрации высокочастотных помех десять двухобкладочных (трехвыводных вывод от средней точки) многослойных конденсаторов. Причем, если есть возможность менять частоту генерации, можно убедиться, что с увеличением частоты высокочастотной помехи уровень пульсаций падает, и наоборот

Следует особо отметить высокую стабильность емкости конденсаторов в диапазоне 0,1-1 мкФ (благодаря рассмотренному типу диэлектрика). Малые габариты, высокая нагрузочная способность (ток до 6 А), низкий импеданс на частотах свыше 10 МГц делает использование проходных трехвыводных конденсаторов эффективным и привлекательным в высокочастотных узлах и практически пока безальтернативным в современных компактных устройствах, таких как портативные ВЧ/СВЧ-передатчики, радиостанции, игровые приставки, компьютеры и подобные им устройства.

В таблице приведены основные электрические характеристики некоторых изделий.

Таблица. Основные электрические характеристики трехвыводных проходных конденсаторов

Подробные справочные данные по многослойным керамическим конденсаторам большой емкости можно найти в справочной литературе и на сайте фирмы Murata.

Автор: А.Кашкаров