多層陶瓷芯片(MLCC)是實現(xiàn)超寬帶電容的主流技術(shù)路徑。為追求超寬帶性能,MLCC技術(shù)經(jīng)歷了明顯演進(jìn)。首先,采用超細(xì)粒度、高純度的介電材料(如Class I類中的NPO/COG特性材料),這類材料的介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化極小,保證了電容值的穩(wěn)定性。其次,采用層層疊疊的精細(xì)內(nèi)部電極結(jié)構(gòu),并通過優(yōu)化電極圖案(如交錯式設(shè)計)和采用低電感端電極結(jié)構(gòu)(如三明治結(jié)構(gòu)或帶翼電極),極大縮短了內(nèi)部電流路徑,有效降低了ESL。,封裝尺寸不斷小型化(如0201, 01005甚至更小),不僅節(jié)省空間,更關(guān)鍵的是因為更小的物理尺寸意味著更低的固有電感,使其自諧振頻率得以推向更高的頻段。其主要價值在于有效抑制從低頻到高頻的電源噪聲。116TJ220M100TT
5G通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用5G技術(shù)推動了對超寬帶電容的需求激增。在 Massive MIMO 天線系統(tǒng)中,每個天線單元都需要的射頻通道,超寬帶電容用于天線調(diào)諧、阻抗匹配和信號耦合。毫米波頻段的應(yīng)用尤其挑戰(zhàn)性,要求電容在28/39GHz等頻段保持穩(wěn)定性能。新型超寬帶電容采用低溫共燒陶瓷技術(shù),實現(xiàn)精確的尺寸控制和優(yōu)異的高頻特性。在5G基站設(shè)備中,這些電容還用于功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò),幫助提高能效和線性度。
航空航天與應(yīng)用航空航天和領(lǐng)域?qū)﹄娮釉目煽啃院托阅苡袠O端要求。超寬帶電容在這些應(yīng)用中用于雷達(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)設(shè)備和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。特殊的設(shè)計使其能夠承受極端溫度變化、劇烈振動和度輻射環(huán)境。采用陶瓷金屬密封封裝和航天級材料,確保在真空環(huán)境和溫度循環(huán)下的長期可靠性。在相控陣?yán)走_(dá)中,超寬帶電容用于T/R模塊的波束形成網(wǎng)絡(luò),提供精確的相位控制和信號分配。 116REC8R2M100TT采用高可靠性陶瓷和電極材料確保長期使用的穩(wěn)定性。
即使選擇了ESL極低的超寬帶電容,不合理的PCB布局和安裝也會引入巨大的安裝電感,徹底毀掉其性能。安裝電感主要來自電容焊盤到電源/地平面之間的過孔(via)和走線。為了小化安裝電感,必須遵循以下原則:一是使用短、寬的走線連接;二是使用多個緊鄰的、低電感的過孔(via)將電容的兩個端直接連接到近的電源層和地層;三是采用對稱的布局設(shè)計。對于比較高頻的應(yīng)用,甚至需要采用嵌入式電容技術(shù),將電容介質(zhì)材料直接制作在PCB的電源-地平面之間,實現(xiàn)近乎理想的平板電容結(jié)構(gòu),將寄生電感降至幾乎為零。
在現(xiàn)代高速數(shù)字集成電路(如CPU, GPU, FPGA)中,時鐘頻率高達(dá)數(shù)GHz,電流切換速率極快(納秒甚至皮秒級),會產(chǎn)生極其豐富的高次諧波噪聲。同時,芯片內(nèi)核電壓不斷降低(<1V),而對噪聲的容限也隨之變小。這意味著電源軌上任何微小的電壓波動(電源噪聲)都可能導(dǎo)致邏輯錯誤或時序混亂。超寬帶退耦電容網(wǎng)絡(luò)在此扮演了“本地水庫”和“噪聲過濾器”的雙重角色:它們就近為晶體管開關(guān)提供瞬態(tài)大電流,減少電流回路面積;同時將產(chǎn)生的高頻噪聲短路到地,確保供給芯片的電源電壓無比純凈和穩(wěn)定,是保障系統(tǒng)高速、可靠運行的生命線。嵌入式電容技術(shù)將電容埋入PCB板層,徹底消除安裝電感。
自諧振頻率(SRF)是衡量電容器有效工作頻率上限的重心指標(biāo)。對于超寬帶應(yīng)用,必須要求電容器的SRF遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的工作頻率,否則其電感特性將無法有效抑制高頻噪聲。提升SRF的策略主要圍繞降低ESL和減小電容值。根據(jù)fSRF = 1/(2π√(LC)),減小L或C都能提高fSRF。因此,超寬帶電容常采用以下方法:一是優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)和端電極設(shè)計以小化ESL;二是使用小尺寸封裝(如0201比0805的ESL小得多);三是對于極高頻率的退耦,會故意選用較小容值的電容(如100pF, 1nF),因為其SRF更高,專門用于濾除特定高頻噪聲,與較大容值的電容配合使用以覆蓋全頻段,形成協(xié)同效應(yīng)。在智能穿戴設(shè)備中支持緊湊設(shè)計下的高效能表現(xiàn)。111ZL242M100TT
它能為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)提供純凈電源。116TJ220M100TT
與傳統(tǒng)電解電容(鋁電解、鉭電解)相比,超寬帶MLCC電容具有壓倒性的高頻優(yōu)勢。電解電容的ESL和ESR通常很高,其有效工作頻率很少能超過幾百kHz到1MHz,主要用于低頻濾波和大容量儲能。而超寬帶MLCC的ESL和ESR極低,工作頻率可達(dá)GHz級別。此外,MLCC沒有極性,更安全(無鉭電容的燃爆風(fēng)險),壽命更長(無電解液干涸問題),溫度范圍更寬。當(dāng)然,電解電容在單位體積容量和成本上仍有優(yōu)勢,因此在實際系統(tǒng)中,它們常與超寬帶MLCC搭配使用,分別負(fù)責(zé)低頻和高頻部分。116TJ220M100TT
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