Texas Instruments Application Report SLOA069 "Как (не)надо развязывать высокоскоростные операционные усилители" (перевод)

Знай свой конденсатор!

Не все конденсаторы созданы равными. Конденсаторы из кассы наминалом 0.1µF или 0.01µF могут быть, а могут и не быть тем, что ожидается. Большая часть лабораторных остатков лишена этикеток с данными о производителе, точности, типе диэлектрика или частотных характеристиках. На высоких частотах работа конденсатора может заметно отличаться от низкоимпедансного высокочастотного шунтирования, как того хотел бы разработчик.

Импеданс конденсатора и его последовательный резонанс

Заблуждение номер 1: множество разработчиков считает, что ёмкость конденсатора не зависит от частоты. Это не так. Указываемое значение ёмкости нормируется при частоте, выбираемой производителем. Это значение почти постоянно при низких частотах, но может измениться более чем на порядок на высоких.

Из-за наличия паразитной индуктивности у конденсатора есть частота последовательного резонанса. Существует также и параллельный резонанс, который будет рассмотрен позднее. По мере приближения рабочей частоты к частоте последовательного резонанса значение ёмкости конденсатора растёт. В результате эффективное значение ёмкости становится больше номинального значения.

Нетрудно понять причины последовательного резонанса конденсатора - его высокочастотная модель содержит индуктивные компоненты:

Рисунок 1. Высокочастотная модель конденсатора

Где:

C_O: номинальное значение ёмкости, нормируемое на частоте, задаваемой изготовителем;

L_S: эквивалентная последовательная индуктивность;

ESR: эквивалентное последовательное сопротивление;

R_P: параллельное сопротивление (утечки).

Эффективная ёмкость C_E - результат взаимодействия конденсатора и паразитной последовательной индуктивности L_S. Эквивалентное последовательное сопротивление ESR и сопротивление утечки R_P, показанные на рисунке 1, заметного влияния на эффективную ёмкость не оказывают, но влияют на Q (добротность) последовательного резонанса конденсатора. Эффективная ёмкость C_E определяется как:

Частота последовательного резонанса F_SR определяется как:

Q - добротность (острота пика на АЧХ) резонансного контура - можно получить из следующего соотношения:

На частоте последовательного резонанса величины реактивного сопротивления C_O и L_S равны и противоположны по знаку, а результирующее реактивное сопротивление равно нулю. На частоте собственного последовательного резонанса общий импеданс будет равен ESR||R_P. Ёмкость на частоте последовательного резонанса не определена, а развязывающий конденсатор имеет самый изкий импеданс, который обычно измеряется в миллиомах (мОм). На частотах ниже частоты последовательного резонанса импеданс определяется ёмкостью, а выше - индуктивностью. По мере удаления от частоты резонанса импеданс конденсатора стремительно увеличивается и описывается формулой:

Рисунок 2 показывает частотную зависимость импеданса двух типичных конденсаторов.

Рисунок 2. Типовые частоы последовательного резонанса конденсаторов

Частота последовательного резонанса относительно низка и для разработчика высокочастотных схем является сигналом, предупреждающим о необходимости тщательного выбора развязывающих конденсаторов. Ниже следуют несколько рекомендаций.

• Увеличить подавление нежелательной частоты можно, выбрав конденсатор с соответствующей ей частотой последовательного резонанса.
   
• Не следует ожидать, что единственный конденсатор будет эффективно фильтровать питание системы, в которой присутствует множество частот. Для подавления различных частот следует запараллеливать разные конденсаторы.
   
• Выше частоты последовательного резонанса конденсатор превращается в индуктивность, имеющую высокий импеданс на ВЧ-гармониках, которая будет противоречить самой идее фильтрующих конденсаторов. Это основная причина нежелательности установки "стандартных" конденсаторов ёмкостью 0.1µF или 0.01µF конденсаторов (с неизвестной датой производства) на печатную плату. Они убаюкивают разработчика, давая мнимое ощущение защищённости и уверенность, что вся работа по фильтрации питания сделана, в то время как компонент лишь занимает место на плате.

Большинство производителей публикуют параметры последовательного резонанса своих конденсаторов в виде графика зависимости ёмкости от частоты. Множество линий, встречающихся иногда на графиках, относятся к различным размерам корпусов.

Рисунок 3. Выбор развязывающих конденсаторов

Очень важно понимать, что у СВЧ-конденсаторов добротность (Q) может измеряться сотнями. Это означает, что малейшая ошибка в частоте последовательного резонанса может менять коэффициент ослабления на порядки.

Для выбора конденсатора, подавляющего конкретную частоту, следует провести линию от интересующего значения на шкале частот до пересечения с графиком, после чего опустить её на шкалу значений ёмкости. В соответствии с графиком на рисунке 3 для подавления частоты 1.9 GHz правильным номиналом будет 15 pF.

Это значение не имеет ничего общего с бездумно выбираемыми ёмкостями 0.01µF или 1000 pF и демонстрирует другое заблуждение.

Заблуждение номер 2: Большинство разработчиков думает, что при подозрении на плохую развязку питания увеличение номинала конденсатора улучшит подавление. Истина находится в прямо противоположном направлении. При подозрениях на недостаточность фильтрации на высоких частотах следует уменьшать номинал конденсатора (а ещё лучше разобраться на досуге с частотой последовательного резонанса).

Правильноя развязка высокочастотных операционных усилителей не сложнее создания набора высокочастотных конденсаторов и выбора нужных значений по графику.

Если в схеме присутствует более одной частоты (или более одной полосы частот), для корректной развязки может потребоваться несколько конденсаторов, каждый из которых предназначен для подавления своей частоты.

Параллельный резонанс

У конденсаторов есть также частота параллельного резонанса, определяемая его конструкцией и способом монтажа на плату. Есть только одна частота последовательного резонанса, но бесконечный ряд частот параллельного резонанса. В грубом приближении первая частота параллельного резонанса приблизительно в два раза выше, чем частота последовательного.

В то время как на частоте последовательного резонанса импеданс конденсатора минимален, на частотах параллельного резонанса он максимален. Таким образом, если последовательный резонанс можно использовать, то на частоте параллельного резонанса конденсатор совершенно бесполезен.

Механизм возникновения параллельного резонанса прост. На рисунке 4 показан разрез конденсатора на пачатной плате.

Рисунок 4. Конденсатор на печатной плате

Конденсатор представляет собой набор параллельных пластин. Собираясь вместе эти пластины образуют эффективную ёмкость C_E, а на высоких частотах, где на проводимость начинает заметно влиять скин-эффект, появляется паразитная межпластинная ёмкость. Вдобавок, из-за того, что большинство конденсаторов монтируется на печатную плату горизонтально, существует паразитная ёмкость между горизонтальными пластинами и слоями земли и питания.

Для высоких частот эквивалентная модель модифицируется с учётом эффектов параллельного резонанса:

Рисунок 5. Высокочастотная модель конденсатора, учитывающая параллельную ёмкость

Элемент C_P представляет на схеме суммарный вклад каждой пары пластина-полигон конденсатора и печатной платы. Амплитудно-частотная характеристика данной схемы представлена на рисунке 6. Резонансы видны в виде локальных провалов на графике, размах которых определяется импедансом источника и нагрузки. Размерность вертикальной шкалы пропущена намеренно, как как она очень сильно меняется от нагрузки. Нули графика указывают на частоты резонансов.

Рисунок 6. АЧХ конденсатора на частотах выше частоты последовательного резонанса

Первая частота параллельного резонанса (F_PR1) располагается очень близко к частоте последовательного резонанса (F_SR), что для разработчика является указанием на тот неприятный факт, что допуск номинала конденсатора легко может поменять ослабляющие свойства на частоте F_SR на нечто совершенно противоположное при частоте F_PR1. От F_PR1 необходимо избавляться!

К счастью, исключить F_PR1 и все нечётные резонансные частоты очень легко. Для этого достаточно монтировать конденсатор боковой стороной, разворачивая его внутренние пластины перпендикулярно печатной плате.

[* Возможно, что именно для этого чип-конденсаторы, в отличие от чип-резисторов, имеют металлизацию на боковых сторонах.]

Рисунок 7. Конденсатор, смонтированный вертикально

Этот приём исключает паразитные ёмкости между пластинами конденсатора и слоями питания печатной платы. Итоговый спектр показывает, что F_PR1 и все нечётные резонансы исчезли.

Рисунок 8. АЧХ конденсатора, смонтированного вертикально

АЧХ показывает, что теперь конденсатор пригоден для использования в гораздо большем диапазоне частот выше F_SR, несмотря на преимущественно индуктивный импеданс в этой области. Первая область высокого импеданса появляется на частоте F_PR2, то есть почти в 2.5 раза выше чем частота F_SR.

Некоторые производители высокочастотных конденсаторов такие, как Johanson, предоставляют программное обеспечение, вычисляющее частоты собственных резонансов их изделий. Такой инструмент может серьёзно облегчить проектирование развязки питания или любых других высокочастотных устройств, чувствительных к характеристикам конденсаторов.

Монтаж конденсаторов указанным способом запускает процесс переобучения монтажного и контролирующего персонала, которому необходимо изменить взгляд на высокочастотные схемы.

Типы конденсаторных диэлектриков

Так же, как внутреннее устройство и ориентация пластин конденсатора влияет на частоты резонансов, применяемый диэлектрик меняет характеристики конденсатора. Диэлектрик - материал, изолирующий пластины, и его свойства влияют на качество конденсатора. Следующие данные взяты у одного из производителей:

Таблица 1. Характеристики диэлектриков   Тип диэлектрика Характеристика Класс EIA Температурный коэффициент Диапазон NPO или COG Очень стабильные I ±30 PPM -55 to +125 °C X7R Так себе II ±15% -55 to +125 °C Z5U   III +22/-56% +10 to +85 °C Y5V   III +22/-82% -30 to +85 °C

Обычные лабораторные кассы полны конденсаторами с диэлектриком X7R или хуже, так как они дешевле, чем требуемые NPO (называемые также COG). Используемые для развязки конденсаторы номиналом 0.1µF или 0.01µF являются реликтами эпохи дискретных цифровых микросхем. У автора имеются несколько примеров цифровых конструкций образца 60-х годов прошлого века с дисковыми керамическими конденсаторами номиналом 0.1µF, выстроенных ровными рядами между цифровых микросхем. Красующаяся на каждом конденсаторе точность +20/-80% указывает на диэлектрик типа Y5V. Частота, на которой работали эти платы, не превышала нескольких мегагерц. С тех пор рабочие частоты как цифровых, так и аналоговых счем, увеличились в тысячи раз, но их питание продолжают фильтровать конденсаторы 0.1µF Y5V. Пришло время для изменения подхода к проектированию развязки питания. И самым правильным действием будет перенос остатков этих якобы развязочных конденсаторов в мусорную корзину. Фильтрация питания высокочастотных цепей требует использования NPO/COG конденсаторов.

Цена NPO/COG конденсаторов быстро растёт с ростом значения ёмкости, но, к счастью, большие значения ёмкости требуются редко.

А как насчёт электролитических конденсаторов ?

Как вы, возможно, заметили, нигде в ходе предыдущего обсуждения ничего не говорилось об электролитических конденсаторах. На то есть серьёзная причина. Электролитические конденсаторы независимо от того, алюминиевые они или танталовые, являются очень низкочастотными компонентами. Частоты их собственного резонанса ограничены диапазоном 100 kHz - 1 MHz, и, соответственно, такие конденсаторы не подходят для высокочастотной фильтрации. Основное их предназначение - подавление шума переключения источников питания, который находится в указанном диапазоне.

Электролитические конденсаторы часто можно видеть в цифровых устройствах, которые столь же часто запитываются от импульсных источников питания. Большие цифровые системы часто потребляют многие ватты мощности и предъявляют к источникам питания повышенные требования. Импульсные источники компактны, легки, эффективны и, соответственно, имеют большую мощность в малом объёме при умеренном тепловыделении. А их недостатками являются пульсации и шум. Пульсации - следствие переменного напряжения силовой сети [* ?], а шум - следствие работы входной части источника питания, занимающейся весьма шумным преобразованием переменного напряжения в постоянное [* ?].

[* Так в тексте.]

Частоты, на которых используются электролитические конденсаторы, находятся ниже 1 MHz. Если разработчик уверен в их наличии, то электролитические конденсаторы необходимы, в противном случае нужды в них нет. Хорошим примером является сотовый телефон. Во время работы он питается от батареи, а во время зарядки - от линейного источника. Если внутри телефона нет dc-dc преобразователей, то нет и необходимости подавлять шумы их переключения. Если преобразователь всё же используется, то он может работать на частоте большей, чем 1 MHz, на которой электролитические конденсаторы не работают. А вот, если телефон работает рядом с радиопередатчиком AM диапазона, электролитический конденсатор может быть необходим для подавления наводимых через гарнитуру радиочастотных помех. Для выбора правильной стратегии фильтрации необходим анализ конструкции и условий использования.

Texas Instruments ставит электролитические конденсаторы на отладочные платы, так как есть шанс, что они будут запитываться от импульсного источника, либо работать рядом с AM радиостанцией. Большая часть лабораторного оборудования хорошо экранирована от радиочастотных наводок, а большинство лабораторных источников питания - линейные. Таким образом наличие электролитических конденсаторов необходимостью не является.

Есть несколько причин для отказа от электролитических конденсаторов при первой же возможности:

• Большинство электролитических конденсаторов поставляются производителями напрямую и имеют большие сроки поставки.
   
• Электролитические конденсаторы - крупные компоненты, что приводит к удлиннению печатных проводников рядом с ними, в то время как высокочастотное конструирование требует всемерного укорочения проводников для уменьшения паразитных ёмкостей и индуктивностей. Чтобы не приходилось искривлять лишний раз проводники на печатной плате, на ней следует оставить только абсолютно необходимые компоненты. В первую очередь следует удалять крупные компоненты, к коим относятся электролитические конденсаторы.
   
• Контактные площадки, требуемые для удержания электролитических конденсаторов, нарушают ширину и расположение дорожек и переходных отверстий, открывая возможности для проникновения радиочастотных наводок в устройство в точке расположения конденсатора.