上集_磁珠(Bead)_电感(L)_电阻(R)_电容(C)于噪声抑制上之剖析与探讨
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由于现今智能手机要求的RF功能越来越多,这连带使得零件数目越来越多,且越来越要求轻薄短小[1],而零中频架构,由于具备了低成本,低复杂度,以及高整合度,这使得零中频架构的收发器,在手持装置,越来越受欢迎[2]。
但连带也有一些缺失,其中一项便是所谓的VCO Pulling,如下图[3-6] :在零中频架构中,因为主频讯号的频率与LO相同,所以有可能会泄漏并造成干扰,而整个发射路径中,最可能的泄漏来源为PA输出端与天线端,因为PA输出端的能量最强,因此会以传导方式干扰,而天线端则是会直接以辐射方式干扰,使调变精确度下降,导致相位误差,频率误差,以及EVM都会有所劣化[6]。
由于PA的输入功率范围一向很广,以RFMD的RF3225为例,其输入功率范围为0 dBm ~ 6 dBm,这表示收发器的输出功率,即便扣掉Mismatch Loss与Insertion Loss,仍符合PA的输入功率范围,因此一般而言,较少调校此处的匹配。
然而PA的输入端,其实也是DA(Driver Amplifier)的Load-pull,因此这部分的匹配若没调校好,会使DA的线性度不够,导致在PA输入端,发射性能已经不好,再加上PA是主要的非线性贡献者,如此便会导致PA输出端的发射性能更差[8]。
除此之外,这部分的匹配若没调校好,会因反射而干扰VCO,导致调变精确度下降,如下图[6] :而PA输入端的匹配电路,其摆放位置需依平台而定,例如若为MTK的MT6252,则需靠近收发器,但若为高通的WTR1605L,则需靠近PA[8-9]。
由[10]可知,像WCDMA这种会用到振幅调变的讯号,只能用线性PA作放大,亦即在升频过程中,是采用所谓的I/Q Modulation,如下图[11] :I/Q Modulation是直接将数字讯号的I/Q讯号,直接升频成RF讯号,因此容易在混波过程中,产生带外噪声,若带外噪声被PA放大,进而增加LNA的Noise Floor,会导致灵敏度变差。
说说磁珠(Ferrite Bead)第一次使用磁珠还是在实习的时候,但是看原理图发现有个元件写着”Bea d”,单位是100欧姆,用万用表测,导通,电阻约为0。
当时就很奇怪,是什么有什么用?后来问了师兄,才知道,这个是磁珠,相当于电感,通直流阻交流(不准确)。
这就是我当初对磁珠的印象。
磁珠全称为铁氧体磁珠,Ferrite Bead,简写FB。
磁珠的单位是欧姆,而不是亨特,这一点要特别注意。
因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的,阻抗的单位也是欧姆。
磁珠的 DATASH EET上一般会提供频率和阻抗的特性曲线图,一般以100MHz为标准,比如60 0R@100MHz,意思就是在100MHz频率的时候磁珠的阻抗相当于600欧姆。
磁珠的结构X射线下的结构(真的活像线圈)磁珠的等效模型R bead是磁珠的直流电阻;L bead是磁珠的等效电感;Cpar和Rpar是并联电容和电阻。
在低频的时候,Cpar开路,L bead短路,只有直流电阻R bead。
当频率增加的时候,阻抗(JwL bead)随着L bead的增加线性增加,阻抗(1/jwCpar)随着Cpar的减小而相反增长。
磁珠的阻抗频率曲线图上升斜率主要由电感L bead决定。
在高频到达一定频率点时,Cpar的阻抗开始起主要作用。
磁珠的阻抗开始减小。
阻抗频率曲线的斜率下降主要由磁珠的寄生电容Cpar所决定。
Rpar对抑制品质因素(Q-factor)有作用,无论如何,Rpar和Cpar的值增长过大会增加磁珠的品质因素和减小磁珠的有效带宽。
高品质因素(Q)可能导致电源输送网络瞬态频率响应不想要的抬升。
Z=R+jxZ:阻抗R:电阻X:电抗磁珠的电性参数Z(阻抗) [Z]@100MHz (ohm)磁珠的阻抗是指在电流下所有阻抗的总和,包括交流与直流部分。
阻抗的直流部分仅仅是绕线的直流电阻,交流部分包括电感电抗。
下面的公式计算了一个理想电感在正弦交流信号下的电感电抗。
电阻广义而言,任何系统上不需要的讯号,便是噪声,故因阻抗不匹配所产生的讯号反射,也是噪声的一种。
而由[8,62]可知,RF走线之所以要将阻抗控制为50奥姆,目的便是希望能减少反射。
因此会利用电感与电容,来做匹配,如下图[61] :至于如何做匹配,可参照[61],在此就不赘述。
而电阻在RF走线的应用,则是多半会拿来兜成衰减器,由[6]可知,RFMD的RF3225,其输入功率范围为0 dBm ~ 6 dBm,而高通的RTR6285A,其输出功率为14 dBm,这表示若两者搭配,则必须将收发器的输出功率,至少衰减8 dB,才不至于使PA饱和,以降低PA的非线性效应[6]。
值得注意的是,我们是希望这衰减的8 dB,纯粹以热能消耗掉,完全没能量反射。
若串联155奥姆的电阻,由下图可知,虽然Insertion Loss约8 dB,但阻抗离50奥姆太远,表示这8dB的衰减,绝大部分都是被反射,只有少部分以热能消耗掉。
同理,若以43.5nH的电感,与0.1pF的电容,构成L型匹配电路,由下图可知,虽然Insertion Loss约8 dB,但阻抗同样离50奥姆太远,表示这8dB的衰减,绝大部分都是被反射,只有少部分以热能消耗掉。
由前述可知,因阻抗不匹配所产生的讯号反射,也是噪声的一种,所以反射是越少越好,若收发器到PA这段的反射能量太强,有可能会干扰VCO,导致调变精确度下降,产生调制频谱、EVM、相位误差……等问题[6, 84]。
而由下图可知,若搭配8 dB的衰减器,Insertion Loss约8 dB,且阻抗正好为50奥姆,表示这8dB的衰减,绝大部分以热能消耗掉,几乎没有反射,由此可知,在RF走线,衰减器不仅可衰减能量,还能加强50奥姆匹配,减少反射。
另外,PA的输入端,其实也是DA(Driver Amplifier)的Load-pull :因此在PA输入端加衰减器,可减少DA输出端的反射,提升DA线性度,避免发射端性能,在PA输入端就已劣化。
盘点10种常用的元器件对电路的保护作用元器件对电路的保护作用是电子设备中不可或缺的重要功能。
它们能够在电路中起到保护、稳定和调控的作用,以确保电路的正常运行和延长设备的使用寿命。
本文将盘点10种常用的元器件对电路的保护作用,以便更好地了解它们在电子设备中的重要性。
1. 电阻器(Resistor)电阻器是最常见的元器件之一,它能够降低电路中的电流和调节电路的电压。
在电路保护方面,电阻器通过限制电流的流动,防止电流过大造成元器件的过载和损坏。
例如,在LED灯的电路中,电阻器可以限制电流,避免过高的电流损坏LED。
2. 电容器(Capacitor)电容器对电路的保护作用主要体现在滤波和稳压方面。
它可以存储和释放电荷,平滑电源电压的波动,保持电路稳定运行。
同时,电容器也能够吸收和抑制电路中的高频噪声,提高电路的信号质量,保护后级元器件不受干扰。
3. 稳压二极管(Zener Diode)稳压二极管是一种特殊的二极管,它可以在反向电压达到某个特定值时起到稳压作用。
稳压二极管能够保护电路不受过高的电压干扰,使电路中的元器件在正常的工作范围内工作。
在电路设计中,使用稳压二极管可以有效防止元器件过电压损坏。
4. 可变电阻器(Potentiometer)可变电阻器是一种能够调节电路电阻的元器件。
它在电路保护中起到了关键的作用,因为通过调节电阻,可以限制电流大小,使元器件工作在安全范围内。
此外,可变电阻器也常用于电路的校准和调试,以确保电路的性能和稳定性。
5. 二极管(Diode)二极管是一种只允许电流在一个方向流动的元器件。
在电路保护中,二极管被广泛应用于反向电压保护和电流限制。
通过正向偏置和反向截止特性,二极管能够阻止反向电流的流动,保护后级元器件不受损坏。
6. 保险丝(Fuse)保险丝是一种常见的电流保护元器件,主要用于限制电路中的电流,防止电流过大引起短路或过载。
保险丝在电路中工作时,当电流超过其额定电流时,保险丝会熔断,切断电流,起到保护电路和元器件的作用。
磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。
磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过错50MHZ。
磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构(电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。
要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。
通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。
片式磁珠由软磁铁氧体材料组成,构成高体积电阻率的独石结构。
涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。
涡流损耗随信号频率的平方成正比。
使用片式磁珠的好处:小型化和轻量化在射频噪声频率范围内具有高阻抗,消除传输线中的电磁干扰。
闭合磁路结构,更好地消除信号的串绕。
极好的磁屏蔽结构。
降低直流电阻,以免对有用信号产生过大的衰减。
显著的高频特性和阻抗特性(更好的消除RF能量)。
在高频放大电路中消除寄生振荡。
有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。
要正确的选择磁珠,必须注意以下几点:1、不需要的信号的频率范围为多少;2、噪声源是谁;3、需要多大的噪声衰减;4、环境条件是什么(温度,直流电压,结构强度);5、电路和负载阻抗是多少;6、是否有空间在PCB板上放置磁珠;前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。
在阻抗曲线中三条曲线都非常重要,即电阻,感抗和总阻抗。
总阻抗通过ZR22πfL()2+:=fL来描述。
通过这一曲线,选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的磁珠型号。
片式磁珠在过大的直流电压下,阻抗特性会受到影响,另外,如果工作温升过高,或者外部磁场过大,磁珠的阻抗都会受到不利的影响。
磁珠功率电感阻容感磁珠、功率电感和阻容感是电路中常见的元件。
它们在电路设计和功能实现中发挥着重要的作用。
本文将从原理、应用和选择等方面详细介绍磁珠、功率电感和阻容感的知识,以期为读者提供生动、全面且具有指导意义的文章。
首先,我们来介绍磁珠。
磁珠是由不同的磁性材料制成的小球状元件。
它们通常被用于抑制电磁干扰(EMI)和提供滤波功能。
磁珠通过其磁场抑制来自其他电路元件的干扰,从而保持电路的稳定性。
在电子设备中,磁珠通常被用于电源线、数传线、音频线等信号线路上。
通过选择合适的磁珠参数,如磁芯材料、直径和导通电流等,可以有效地滤波各种频率的干扰信号。
接下来,我们将重点介绍功率电感。
功率电感是一种能够储存电能并具有一定电感值的元件。
它们通常用于直流-直流(DC-DC)转换器、滤波器和断路器等应用中。
功率电感能够储存电流,并在需要的时候释放能量。
这使得其在电路中可以实现对电压的升降、滤波和维持稳定工作等功能。
功率电感的选择取决于所需的电感值、电流和频率等参数。
适当选择功率电感可以提高电路的效率、稳定性和性能。
最后,我们将介绍阻容感。
阻容感是一种同时具有电阻和电容特性的元件。
它们通常用于滤波器、功率传输和信号调整等应用中。
阻容感的阻抗随频率的变化而变化,这使得其可以对不同频率的信号产生不同的响应。
通过适当调整阻容感的参数,如电容值和电阻值等,可以实现对信号的滤波、调整和幅度控制等功能。
阻容感在电路中的选择需要考虑信号频率、带宽和幅度等因素。
综上所述,磁珠、功率电感和阻容感在电路中具有重要的作用。
了解它们的原理、应用和选择等知识,对于电路设计和功能实现都具有指导意义。
在实际应用中,我们可以根据具体需求选择合适的磁珠、功率电感和阻容感,从而提高电路的性能、稳定性和效率。
希望本文能为读者提供一些参考和指导,使他们能够更好地理解和应用磁珠、功率电感和阻容感。
磁珠功率电感阻容感1. 磁珠磁珠是一种常见的电子元件,主要用于电磁干扰(EMI)滤波和抑制高频噪声。
它通常由磁性材料制成,外形类似于小珠子。
磁珠的主要作用是通过吸收和抑制高频噪声来保护电路不受干扰。
它可以用于各种电子设备,如电源、通信设备和计算机等。
磁珠的工作原理是利用其磁性材料的特性,在电路中形成一个高频磁场。
当高频信号通过磁珠时,磁珠会吸收部分能量并将其转化为热能。
这样可以有效地降低高频噪声,提高电路的抗干扰能力。
2. 功率电感功率电感是一种用于电源和电路中的重要元件,它具有存储和释放能量的能力。
功率电感通常由铁芯和线圈组成,其工作原理是利用磁场的感应和储能效应。
功率电感在电源中起到平滑电流、降低电压波动和滤波的作用。
当电源输入电流变化时,功率电感可以存储一部分电能,并在需要时释放出来,以保持电路的稳定工作。
此外,功率电感还可以滤除高频噪声,提高电源的纹波抑制能力。
功率电感的参数主要包括电感值、电流容量和频率响应等。
根据不同的应用需求,可以选择合适的功率电感来满足电路的要求。
3. 阻容感阻容感是一种特殊的电子元件,它同时具备电阻、电容和电感的特性。
阻容感通常由磁性材料和电容器组成,可以用于电源滤波、降噪和阻抗匹配等应用。
阻容感的工作原理是利用磁性材料的磁场感应和电容器的电场储能效应。
当电流通过阻容感时,磁性材料会产生磁场,同时电容器会储存电荷。
这样可以实现对电流和电压的同时调节和控制。
阻容感的特点是具有宽频带响应和高频噪声抑制能力。
它可以有效地滤除电源中的高频噪声,提高电路的稳定性和抗干扰能力。
此外,阻容感还可以用于匹配不同电路之间的阻抗,提高信号传输的效率。
4. 应用示例4.1 磁珠在电源中的应用磁珠在电源中的应用非常广泛。
它可以用于直流电源的滤波和降噪,以提供干净稳定的电源输出。
同时,磁珠还可以用于交流电源的EMI滤波,抑制高频噪声和干扰信号。
这样可以保护电路不受外部干扰的影响,提高系统的可靠性和抗干扰能力。
如何利用磁珠和电感解决EMI和EMC磁珠和在解决EMI和方面的作用有什么区分,各有什么特点,是不是用法磁珠的效果会更好一点呢?磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有汲取静电脉冲的能力。
磁珠是用来汲取超高频信号,象一些RF,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDRSDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ. 磁珠有很高的率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变幻。
磁珠的功能主要是消退存在于传输线结构(电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的沟通正弦波成分,直流成分是需要的实用信号,而RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。
要消退这些不需要的信号能量,用法片式磁珠饰演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除沟通信号。
通常高频信号为30MHz 以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。
磁珠有很高的电阻率和磁导率,他等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变幻。
他比一般的电感有更好的高频滤波特性,在高频时展现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。
磁珠可等效成一个电感,但这个等效电感与电感线圈是有区分的,磁珠与电感线圈的最大区分就是,电感线圈有分布。
因此,电感线圈就相当于一个电感与一个分布电容并联。
1所示。
图1中,LX为电感线圈的等效电感(抱负电感),RX为线圈的等效电阻,CX为电感的分布电容。
电感器(电感线圈)和均是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件,也是电路中常用的元器件之一,相关产品如共模等。
当线圈中有通过时,线圈的周围就会产生磁场。
当线圈中电流发生变幻时,其周围的磁场也产生相应的变幻,此变幻的磁场可使线圈自身产生感应电动势(电动势用以表示有源元件抱负电源的端),这就是自感。
电路图识别之磁珠和电感的区别篇可能一些新的朋友在刚看维修MP3技术资料时或电路图时常会看到磁珠这个词,可在网上粗略一查,好像他和电感差不多,其实则不然下面我就说一下他们之间的区别:磁珠的作用要从其结构来着手分析,磁珠的结构可以看成一个电阻和电感的串接(许多人容易把它和电感混淆,它和电感的区别就在于多了电阻的分量)。
其作用主要是在高频率下利用电感成分反射噪声,利用电阻成分把噪音转换成热量,由此达到抑制噪声的作用。
使用方法比较简单,直接插入信号线、电源线中就可以通过吸收、反射来实现抑制噪声和执行EMC对策的功能。
电感的作用:储能、滤波、阻抗、扼流、谐振和变压的作用。
电阻器识别电阻电阻,用符号R表示。
其最基本的作用就是阻碍电流的流动。
衡量电阻器的两个最基本的参数是阻值和功率。
阻值用来表示电阻器对电流阻碍作用的大小,用欧姆表示。
除基本单位外,还有千欧和兆欧。
功率用来表示电阻器所能承受的最大电流,用瓦特表示,有1/16W,1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W等多种,超过这一最大值,电阻器就会烧坏。
根据电阻器的制作材料不同,有水泥电阻(制作成本低,功率大,热噪声大,阻值不够精确,工作不稳定),碳膜电阻,金属膜电阻(体积小,工作稳定,噪声小,精度高)以及金属氧化膜电阻等等。
根据其阻值是否可变可分为微调电阻,可调电阻,电位器等。
可调电阻(电位器)电路符号如下:电阻在标记它的值的方法是用色环标记法。
它的识别方法如下:色别第一位色环(电阻值的第一位)第二位色环(电阻值的第二位)第三位色环(乘10的倍数)第四位色环(表误差)棕1110--红2 2 100 --橙3 3 1000 --黄4 4 10000 --绿5 5 100000 --蓝6 6 1000000 --紫7 7 10000000 --灰8 8 100000000 --白9 9 1000000000 --黑0 0 1 --金-- -- 0.1 +-0.05银-- -- 0.01 +-0.1无色-- -- -- +-0.2电容,用符号C表示。
电路图识别之磁珠和电感的区别篇可能一些新的朋友在刚看维修MP3技术资料时或电路图时常会看到磁珠这个词,可在网上粗略一查,好像他和电感差不多,其实则不然下面我就说一下他们之间的区别:磁珠的作用要从其结构来着手分析,磁珠的结构可以看成一个电阻和电感的串接(许多人容易把它和电感混淆,它和电感的区别就在于多了电阻的分量)。
其作用主要是在高频率下利用电感成分反射噪声,利用电阻成分把噪音转换成热量,由此达到抑制噪声的作用。
使用方法比较简单,直接插入信号线、电源线中就可以通过吸收、反射来实现抑制噪声和执行EMC对策的功能。
电感的作用:储能、滤波、阻抗、扼流、谐振和变压的作用。
电阻器识别电阻电阻,用符号R表示。
其最基本的作用就是阻碍电流的流动。
衡量电阻器的两个最基本的参数是阻值和功率。
阻值用来表示电阻器对电流阻碍作用的大小,用欧姆表示。
除基本单位外,还有千欧和兆欧。
功率用来表示电阻器所能承受的最大电流,用瓦特表示,有1/16W,1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W等多种,超过这一最大值,电阻器就会烧坏。
根据电阻器的制作材料不同,有水泥电阻(制作成本低,功率大,热噪声大,阻值不够精确,工作不稳定),碳膜电阻,金属膜电阻(体积小,工作稳定,噪声小,精度高)以及金属氧化膜电阻等等。
根据其阻值是否可变可分为微调电阻,可调电阻,电位器等。
可调电阻(电位器)电路符号如下:电阻在标记它的值的方法是用色环标记法。
它的识别方法如下:色别第一位色环(电阻值的第一位)第二位色环(电阻值的第二位)第三位色环(乘10的倍数)第四位色环(表误差)棕1110--红2 2 100 --橙3 3 1000 --黄4 4 10000 --绿5 5 100000 --蓝6 6 1000000 --紫7 7 10000000 --灰8 8 100000000 --白9 9 1000000000 --黑0 0 1 --金-- -- 0.1 +-0.05银-- -- 0.01 +-0.1无色-- -- -- +-0.2电容,用符号C表示。
电容由[1]可知,当两个金属很靠近时,便形成了电容。
而由[2-5]可知,通常电源输出端,其电压并非理想的恒定值,而是会有涟波与噪声,而由[6]可知,GSM为分时多工机制,其讯号为Burst形式,故其PA会一直On/Off 不停地切换,导致其PA电源端,会有瞬时电流。
而要抑制这些会危害电路的涟波、噪声、以及瞬时电流,最常见的手法,便是摆放落地电容,接下来便探讨电容的应用与注意事项。
由[8]可知,任何讯号都会有回流电流,整体路径形成一个完整的封闭回路。
回路面积越小,产生的EMI 干扰就越小。
而回路面积取决于讯号路径长度,以及回流电流路径长度。
因此不只讯号长度越短越好,其回流电流路径长度也是越短越好,如此才能使回路面积缩到最小。
因此,落地电容的作用,便是提供噪声一个低阻抗的路径,使整体回路面积变小,来降低EMI干扰,且避免噪声透过耦合方式,干扰其他讯号。
由[3]可知,摆放稳压电容,确实可减少电源的涟波。
而由下图可知,虽然C3114,已有稳压效果,但不够靠近收发器,以至于稳压效果不如预期,而因为LO电源,会影响调变的精确度,如此便导致调制频谱正负1.6MHz处超标,而将C3115更换成4.7uF的稳压电容后,可看到调制频谱改善许多[6]。
由[9]可知,电容在高频时,会有寄生电感(Equivalent Series Inductance, ESL),与寄生电阻(EquivalentSeries Resistance, ESR),其等效模型如下:因此其频率响应如下:由上图可知,电容会有自我谐振频率,简称SRF(Self Resonant Frequency),与电容值,以及ESL有关,过了SRF后,则该电容会变电感,这使得抑制噪声,以及稳压的能力会下降,因此ESL越小越好,即SRF越高,如此便可确保电容性的频率范围越广。
前述提到,SRF也与电容值有关,因此电容值大小,需依应用频率范围来决定[11]。
由上图可知,电源输出端的稳压,隶属于低频范围,因此会采用大电容,多半为uF等级,而若是要抑制会干扰RF频段的噪声,例如解手机的Desense,则是会采用小电容,多半为pF等级。
另外由上图可知,电容值越大,则频率范围内的阻抗越小,这主要跟ESR有关。
由[12]可知,其电容的阻抗如下:而由[13]可知,若电容值越大,则ESR就越小,如下图:因此电容值越大,则ESR就越小。
由下图可知,同样0402尺寸,但1nF的Insertion Loss,显然就是比1pF、10pF、100pF来得大。
因此电容值越大,则频率范围内的阻抗越小。
至于为何电容值越大,则ESR就越小? 这主要与电容的内部构造有关,以MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitor)为例[13-14] :若电容值越大,则表示内部电极层数目越多,若我们将电极层想象成电阻,则电极层数目越多,意味着越多电阻并联,而依据电阻并联公式,我们得知,越多电阻并联,则整体总电阻就越低,因此电容值越大,则ESR就越小[12]。
另外,下式为电阻公式:由上式可知,ESR会跟材质的电阻率有关,因此不同的材质,其ESR也不同。
以MLCC为例,其ESR会比其他材质来的小[14-15]。
而前述提到,落地电容的作用,便是提供噪声一个低阻抗的路径,若ESR越小,便能使越多的噪声流到GND。
因此ESR越小,则Insertion Loss越大,亦即抑制噪声的能力就越好[13]。
而若以钽质电容做比较,发现同样的电容值,其MLCC的Insertion Loss明显较大[15]。
另外ESR也牵扯到稳压能力,由下式可知:若稳压电容的ESR越小,则电源输出的涟波就越小,即稳压效果越好。
因此可得知,由于MLCC的ESR比其他材质来的小,故其抑制噪声能力,以及稳压能力,都比其他材质来的好。
以示波器观察时域上的波形变化,发现其MLCC的稳压效果,比钽质电容来得好[15]。
而以频谱分析仪观察频域上的噪声强度,发现其MLCC抑制噪声的效果,也比钽质电容来得好[15]。
另外,由[14]可知,ESR会将涟波电流,转换为热能,若ESR越高,则转换的热能就越多换句话说,随着涟波电流越大,ESR会使电容温度上升,ESR越大,则温度上升越多,而温度上升,不仅对散热有所影响,对于电容值也会有所影响,由[15]可知,MLCC在温度稳定性,就不如钽质电容与铝电解电容,尤其是Y5V,温度升高时,其电容值会大幅下降。
而由下图可知,电容值的大小,也会影响稳压能力,换句话说,Y5V会因涟波电流加大,温度升高,电容值下降,而导致稳压能力下降,因此在挑选电容时,需额外注意温度的耐受度因素。
如果单颗电容的涟波电流耐受度不够,则需并联多颗电容,其并联数目,依单颗电容的涟波电流耐受度而异,如下图,若单颗电容的涟波电流耐受度为1A,则需并联6颗,方可承受6A的涟波电流。
但若单颗电容的涟波电流耐受度为2A,则6A的涟波电流,其所需电容数量,可缩减为3颗[14]。
而并联多颗电容的作法,除了可提升整体电容的涟波电流耐受度,亦可进一步加大Insertion Loss,来提高稳压及滤波能力[7, 16-17]。
由前述已知,电容的内部电极层,可看成电阻,并联越多电容,等同于越多电阻并联,则整体ESR就越低,并联n颗,则ESR便降低n倍,其公式如下:虽然若并联n颗电容,则整体电容值会加大n倍,理论上其SRF会往低频方向移动,然而因为其ESL也缩减n倍,而由SRF公式计算:因此其SRF并不会改变。
但是,若设计的电路,其信号变化很快,则表示其噪声的频率范围也越广,这意味着需要并联大量的同值电容,但该作法会造成空间及成本上的极大浪费,此时需使用不同容值的组合,来拓展稳压及滤波的频率范围[2]。
上图是33pF与7pF并联的结果,若以-10 dB为基准,可看出其带宽范围,皆比单颗33pF或单颗7pF来得大,其绿色箭头即并联后的频率拓展范围。
然而该方式有个该注意的地方,就是反谐振[9],由上图可知,C1的电感性区域,与C2的电容性区域,会有个交叉点的频率,该交叉点正好会产生并联谐振,使阻抗升大,故该频率点称之为反谐振。
而前述已知,落地电容的阻抗越大,则流到GND的噪声就越少,这意味着反谐振频率点的抑制噪声能力,会大幅下降。
因此并联不同容值的电容时,其电容值差距不宜过大,因为由前述知,SRF与电容值有关,若电容值相差过大,则反谐振频率点也离C1与C2个别的SRF越远,而离SRF越远,则Insertion Loss就越小,因此并联不同容值的电容时,其电容值差距最好不要超过10倍,如此一来,即便有反谐振,其Insertion Loss也不至于过小,亦即其反谐振频率点,仍有一定的滤波能力[7]。
然而最重要的,仍是电容的ESR,由上图可知,虽然在1305MHz处,会有反谐振,但因为其33pF与30pF的ESR都够小,所以反谐振频率点的Insertion Loss,都还有37 dB。
而如下图,虽然两个同值33pF电容并联,没有反谐振问题,但因为其ESR不够大,以至于其SRF的Insertion Loss,也才28 dB,仍小于上图反谐振频率点的37 dB,因此虽然电容值的差异,会产生反谐振,但真正决定抑制噪声能力的,仍是电容本身的ESR[2]。
而前述提到,过了SRF后,则该电容会变电感,这使得抑制噪声,以及稳压的能力会下降,因此需确保噪声频率位于SRF左边。
但由下图可知,同样2000MHz 的噪声,虽然分别位于33pF电容之SRF右边,以及3pF电容之SRF左边,但33pF电容的Insertion Loss,比3pF电容的大上许多,因此相较于SRF,低的ESR 值更为重要,因为低的ESR,可以提供更佳的稳压与抑制噪声能力,这样即便噪声频率,座落在落地电容之电感性区域,但仍可保有足够的稳压与抑制噪声能力[18]。
而由前述已知,电源输出端除了会有低频的涟波,亦会有高频的噪声[7, 78],因此电源输出端,除了会有uF等级的大电容,作为稳压之用,多半还会有pF 等级的小电容,作为滤波之用。
以Qualcomm的WCN1312为例[4],其电源输出,会产生二倍谐波的噪声,而其VCO频率,正好为二倍LO频率,即二倍主频频率,其公式如下:由[6]可知,在DCT(Direct Conversion Transmitter)架构中,因为讯号的频率与LO相同,所以有可能会泄漏并造成干扰,而整个发射路径中,最可能的泄漏来源为PA输出端与天线端,因为PA输出端的能量最强,因此会以传导方式干扰,而天线端则是会直接以辐射方式干扰,称为VCO Pulling,会使调变精确度下降,因此有些收发器,为了避免VCO Pulling的问题,会将VCO频率,设计为2倍LO,如上述的WCN1312。
但由前述已知,其WCN1312电源输出,会产生二倍谐波的噪声,且VCO频率正好为二倍主频频率,因此会造成VCO Pulling,如下图:故需在 WCN1312 电源端,摆放 pF 等级的小电容,作为滤波之用,避免其二倍 谐波的噪声,干扰 VCO[4]。
21另外,由前述已知,GSM 为分时多工机制,其讯号为 Burst 形式,故其 PA 会一 直 On/Off 不停地切换,导致其 PA 电源端,会有瞬时电流,因此 VBAT 需稳压电 容,避免因电压不稳,产生低频的涟波,进而影响调制频谱与开关频谱[6]。
由上图可知,加大 VBAT 的稳压电容后,其频谱扩散的现象,便改善许多,进而 改善调制与开关频谱。
22另外,其 VBAT 走线之高频噪声 线之高频噪声,会干扰接收频段,导致 Desense 问题产生23由上图可知,原先在 GSM 850 频段,每隔 2.4MHz,便会有所谓的 Desense 问题 产生,此即为高频噪声之谐波所造成,而在 C2080 摆放 150uF 的稳压电容,以 及 C2082 摆放 82pF 的滤波电容后,其 Desense 情况明显改善许多。
24电感由[19-20]可知,当电流通过一导体时,会在其周围产生磁通量,如将导线折成 线圈狀,则线圈内部磁力会加强,如下图 :因此将导体绕成线圈状,便形成了电感[21],而磁通量与电流的比值,即为电感,如下式 :因此相较于电容储存电能,电感则是储存磁能,其电容量与电感量,分别代表储 存电能与磁能的能力。
25另外,若流经线圈的电流为交流电,则会产生时变的磁场,该时变磁场又会感应 出电动势,如下式 :由上式可知,因为实际上 V(t)不可能无穷大,所以电流不会突变,因此电感可用 来稳定电流。
这与前述的电容有相似之处,电容公式如下 :由上式可知,因为实际上 i(t)不可能无穷大,所以电压不会突变,因此电容可用 来稳定电压[26]。