《電子技術(shù)應(yīng)用》
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射頻電容ESR的選用及應(yīng)用
摘要: 陶瓷電容的等效串聯(lián)電阻損耗在選用射頻片狀陶瓷電容時,等效串聯(lián)電阻(ESR)常常是最重要參數(shù)。
關(guān)鍵詞: RF|微波 射頻 電容 ESR 微波
Abstract:
Key words :

陶瓷電容" title="電容">電容的等效串聯(lián)電阻損耗

   在選用射頻" title="射頻">射頻片狀陶瓷電容時,等效串聯(lián)電阻(ESR" title="ESR">ESR)常常是最重要參數(shù)。ESR通常以毫歐姆為單位,是電容的介質(zhì)損耗(Rsd)和金屬損耗(Rsm)的綜合(ESR=Rsd+Rsm)。事實(shí)上所有射頻線路都用到陶瓷電容,所以評估陶瓷電容損耗對線路性能的影響是十分重要的。

低損耗射頻電容的優(yōu)點(diǎn)

   在所有射頻電路設(shè)計中,選用低損耗(超低ESR)片狀電容都是一項(xiàng)重要考慮。以下是幾種應(yīng)用中低損耗電容的優(yōu)點(diǎn)。在手持便攜式發(fā)射設(shè)備的末級功率放大器內(nèi)使用低損耗電容作場效應(yīng)晶體管源極旁路和漏極耦合,可以延長電池壽命。ESR高的電容增加I2ESR損耗,浪費(fèi)電池能量。使用低損耗電容產(chǎn)品使射頻功率放大器更容易提高功率輸出和和效率。例如,用低損耗射頻片狀電容作耦合,可以實(shí)現(xiàn)最大的放大器功率輸出和效率。對于目前的射頻半導(dǎo)體設(shè)備,例如便攜手持設(shè)備的單片微波" title="微波">微波集成電路,尤其是如此。許多這種設(shè)備的輸入阻抗極低,因此輸入匹配電路中電容的ESR損耗在全部網(wǎng)絡(luò)的阻抗中占了很大的百分比。如果設(shè)備輸入阻抗是1歐姆而電容ESR是0.8歐姆,約40%的功率將由于ESR損耗而被電容消耗掉。這將減低效率和輸出功率。高射頻功率應(yīng)用也需要低損耗電容,這方面的典型應(yīng)用是要使一個高射頻功率放大器和動態(tài)阻抗相匹配。例如半導(dǎo)體等離子爐需要高射頻功率匹配,設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)時使用了電容。負(fù)載從接近零的低阻抗大幅度擺動到接近開路,導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大電流,使電容負(fù)荷劇增。這種情況使用超低損耗電容,例如ATC的100系列陶瓷電容,最為理想。發(fā)熱控制,特別是在高射頻功率情況下,和元件ESR直接有關(guān)。這種情況下的電容功率耗散可以經(jīng)由I2ESR 損耗計算出來。低損耗電容產(chǎn)品在這些線路中能減少發(fā)熱,使線路發(fā)熱問題更容易控制。見下節(jié)“功率耗散”中的例子。

   使用低損耗電容可增加小信號放大器的有效增益和效率。設(shè)計低噪聲放大器(LNA)時使用低損耗陶瓷電容可以把熱噪聲(KTB)減到最小。使用超低損耗電容也可很容易地改善信噪比和總體噪聲溫度。設(shè)計濾波網(wǎng)絡(luò)時使用低損耗陶瓷電容能把輸入頻帶插入損耗(S21)減到最小,而且使濾波曲線更接近矩形,折返損耗性能更好。MRI成象線圈的陶瓷電容必須是超低損耗。這些電容和MRI線圈相接,線圈是調(diào)諧電路的一部分。因?yàn)镸RI 掃描器要檢測極弱的信號,線圈的損耗必須很低,一般在幾個毫歐姆的量級。如果ESR損耗超過這個量級,而設(shè)計者沒有采取措施降低損耗,成象分辨率就會降低。ATC100系列陶瓷電容組具有超低損耗,因而經(jīng)常用于線圈電路。這些電容組在諧振電路中發(fā)揮功能,卻不增加整個線路的損耗。

 ESR引起的電容功率耗散

    ESR乘以射頻網(wǎng)絡(luò)電流的平方就得到耗散在電容里的功率。所以耗散在電容里的功率可以表示為:Pd=ESRx(射頻電流)2或Pd=ESR x I2一個有趣的現(xiàn)象是,低損耗電容用于高射頻功率設(shè)備中時,設(shè)備功率可以是電容額定功率的幾百倍。

下面是低ESR電容這樣使用的一例。射頻功率=1000瓦電容是ATC100E102 (1000pF)

頻率=30MHzESR=0.018 歐姆(18 毫歐姆);設(shè)備線路阻抗=50 歐姆。

注意,100E系列最大允許功率耗散是大約5瓦。

解:計算這一線路的射頻電流, 再以電流計算電容中的射頻功率耗散。電流=(功率/阻抗)

1/2 (這是這一線路內(nèi)的電流)(1000/50)1/2 =4.47 安培電容中實(shí)際耗散功率:P=I2 x ESR (這

是電容將耗散的功率)P=4.47 x 4.47 x 0.018 = 0.34 瓦。

這個結(jié)果意味著在一個1000瓦射頻功率,50歐姆阻抗的設(shè)備中,只有0.34瓦是由于ESR而被電容消耗掉的。因此,電容由于ESR只消耗了它額定最大功率的6.8%。由于電容ESR損耗極低, 電容溫升可以忽略。

介質(zhì)損耗(Rsd)

   介質(zhì)成分,不純度和微觀結(jié)構(gòu)例如晶粒大小,組成和氣孔多少(密度)這些介質(zhì)特性決定陶瓷電容的介質(zhì)損耗正切。每種介質(zhì)都有自己的損耗因數(shù),或損耗正切。損耗正切數(shù)值等于耗散系數(shù)(DF),是電容介質(zhì)在射頻下?lián)p耗的量度。這個損耗造成介質(zhì)發(fā)熱。在極端情況下,熱損壞能造成設(shè)備失效。耗散系數(shù)是介質(zhì)損耗量級很好的指標(biāo), 通常是在低頻,即1MHz下測定的。在這頻率下介質(zhì)損耗是電容損耗的主要成分。

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