Com os avanços atuais em tecnologia sem fio, maior ênfase está sendo colocada no desempenho do componente. Este artigo fornecerá uma discussão sobre capacitores de chip de cerâmica e porcelana e a compreensão de seu comportamento em projetos de produtos de RF. Eles são uma excelente escolha para aplicações sem fio onde a eficiência volumétrica, confiabilidade e desempenho de RF são uma necessidade absoluta.
Por Richard Fiore, Diretor de Engenharia de Aplicações de RF, American Technical Ceramics Corp
Critérios de projeto
As categorias de design mais comumente usadas para capacitores de chip de cerâmica ATC são multicamadas (MLC) e camada única (SLC). O MLC emprega seções de eletrodos múltiplas ou empilhadas, enquanto o SLC consiste em dois eletrodos separados por um dielétrico. Ambos são construídos com os seguintes critérios de design:
Dielétricos de cerâmica e porcelana
Construção hermética robusta
Padrões de eletrodo otimizados
Eletrodo de baixa resistividade e materiais de terminação
Alta rigidez dielétrica
Camada de barreira protetora entre eletrodos e terminação (MLC)
Fabricado para montagem direta na superfície em microfita
Ultra estável com temperatura e umidade
Q extremamente alto
Baixas perdas dissipativas
Selecionando um Capacitor Adequado
Ao selecionar capacitores de chip de cerâmica para uso em aplicações sem fio RF, é importante estabelecer critérios gerais de desempenho do circuito. O componente deve então ser compatível com o requisito de aplicação específico. Uma lista de compras típica de requisitos de desempenho para este elemento de circuito pode incluir o seguinte:
Capacitância (pF)
Tolerância (%)
Classificação de tensão (WVDC, VRMS)
Resistência de série equivalente (ESR)
Coeficiente de temperatura (TC, PPM / ° C)
Fator de dissipação (%)
Frequência ressonante série (Fsr)
Frequência Ressonante Paralela (Fpr)
Resistência de isolamento (IR)
Efeitos do envelhecimento dielétrico (% por década hr.)
Desempenho
Um capacitor ideal armazena toda sua energia no dielétrico, como 1 / 2CV². No entanto, um capacitor realizável sempre terá alguma resistência em série que deve ser levada em consideração. Essa resistência em série, conhecida como Resistência em série equivalente (ESR), é sempre um dos fatores mais essenciais a se considerar em um projeto de circuito de RF. É atribuído principalmente à contribuição de perdas dielétricas e perdas de metal do eletrodo e materiais de terminação. Além disso, o processo de fabricação deve ser controlado adequadamente durante cada fase para garantir um desempenho ESR ideal. Em baixas frequências, na região de Hz a KHz, o principal contribuinte para ESR é a perda dielétrica. No entanto, em frequências de RF, o ESR é devido principalmente às perdas de metal, ou seja, eletrodos e terminações. Essas perdas tornam-se significativas devido ao efeito de pele e aumentam proporcionalmente com a raiz quadrada da frequência.
O ESR é normalmente expresso em miliohms em frequências específicas pela maioria dos fabricantes. Os padrões mais frequentemente usados como diretriz são EIA RS483 e MIL-C-55681. As medições são realizadas em várias frequências entre 30 MHz e 1 GHz. Portanto, é necessário considerar o valor ESR na frequência de projeto específica. Se, por exemplo, você estiver projetando para uma aplicação sem fio de 900 MHz e o ESR for especificado em 150 MHz, o ESR em 900 MHz pode ser calculado multiplicando o ESR especificado em 150 MHz por ? 900/150. Essa relação é bem-comportada em RF e é responsável pelo "efeito de pele". O ESR é o principal elemento de perda do capacitor e é usado para determinar a perda de potência, ou seja; P = I² * ESR.
O fator de qualidade (Q) é uma figura de mérito e é uma medida da capacidade de um capacitor de armazenar energia em seu dielétrico. Como Q = Xc / ESR, torna-se evidente que baixo ESR produz alto Q. Como com ESR, o Q deve ser especificado ou calculado na frequência de projeto.
O Fator de Dissipação (DF) também é referido como a tangente de perda e é o recíproco de Q, ou seja, DF = 1 / Q. Com um capacitor ideal, a corrente ultrapassa a tensão em 90 graus. No entanto, os capacitores reais terão um pequeno ângulo conhecido como ângulo de perda. A tangente do ângulo de perda é igual ao fator de dissipação e indica qual parte da potência reativa total no capacitor será perdida como calor, ou seja, perda dissipativa.
Exemplo: ângulo de perda = 3 graus; portanto, DF = tang 3 = 0,05 ou 5%.
No exemplo acima, o fator de dissipação é 0,05 ou 5%. Isso significa que 5% da potência total do capacitor é perdida na forma de calor. Consulte a Fig. 1.
Os capacitores com chip de porcelana da Série ATC 100 têm uma tangente de perda menor que 0,0001, que resulta em um Q maior que 10.000. Neste caso, as perdas dissipativas são inferiores a 0,01%. Isso é desejável para um desempenho ideal em um circuito de RF. Um circuito de amplificador, por exemplo, que utiliza um capacitor de Q alto e ESR (DF) baixo perceberá um aumento significativo no ganho efetivo. A vida útil da bateria para dispositivos portáteis também é estendida com o uso de capacitores de baixa perda. Uma maneira fácil de relacionar ESR, DF e Q é:
ESR = Xc DF = Xc / Q
DF = ESR / Xc
Q = Xc / ESR
Comportamento Parasítico
Outra grande preocupação em aplicações de design sem fio é o comportamento parasitário dos elementos reativos. Os capacitores podem ser modelados com elementos de circuito equivalentes que respondem pelos efeitos parasitas. A Figura 2 mostra um modelo de elemento concentrado e é válida para capacitores de chip nessas aplicações. O uso deste modelo pode ajudar o projetista a determinar características como frequência ressonante série (Fsr), indutância série equivalente (ESL) e características da função de transferência.
É necessário considerar a aplicação funcional, por exemplo, acoplamento, desvio, temporização, etc., e layout no circuito. Por exemplo, uma determinada aplicação pode exigir um capacitor para acoplamento interestágios. Uma visão mais completa do comportamento parasitário é obtida pelo uso de parâmetros de espalhamento. ATC especifica o desempenho do parâmetro S para sua linha de capacitores. Esses dados podem ser baixados do site da ATC assim como estão disponíveis no Catálogo de CDs da ATC.
No exemplo acima, é importante avaliar o desempenho do parâmetro S para o capacitor em questão. Se uma ressonância paralela ocorrer na ou perto da banda de frequência de interesse, este capacitor servirá para atenuar a energia de RF em vez de sua função de acoplamento pretendida. Os dados do parâmetro S mostrarão características como ressonância paralela, ressonância em série, perda de inserção, fase de inserção, magnitude da perda de retorno e fase de perda de retorno. Um conjunto completo de SParameters pode ser usado em conjunto com o software de simulação de projeto e geralmente é apresentado como uma medição direta e reversa de duas portas, conhecida como um arquivo S2P.
Orientação do Componente
Os capacitores de chip são geralmente montados na superfície em uma microfita. Eles podem ser montados com os eletrodos paralelos ou perpendiculares a esta microfita. No exemplo acima, um capacitor de acoplamento é usado entre os estágios. Como mencionado anteriormente, é essencial que ressonâncias paralelas não ocorram na banda de frequência de interesse. Ao montar o capacitor verticalmente, isto é, com os eletrodos perpendiculares à microfita, a primeira ressonância paralela não estará presente, estendendo, assim, significativamente o passa-banda utilizável. Uma comparação das duas orientações de montagem usando os parâmetros S é mostrada na Figura 3.
Frequência de ressonância em série: ocorre na frequência correspondente à fase de 0 graus de S21; também a magnitude S21 tem perda mínima nesta frequência igual a ESR.
Frequências ressonantes paralelas: são observadas como uma atenuação acentuada na magnitude S21, enquanto a fase S21 tem transições rápidas através de 0 graus correspondentes a cada ressonância paralela. A montagem vertical otimiza esse desempenho.
S21 Magnitude 3DB Frequency: O valor da capacitância pode ser verificado nesta frequência por C = 0,159 / 100 * F (Hz).
Reproduzido com permissão da Wireless Design & Development para Mouser Electronics
