單一電容器無法在超寬頻帶內(nèi)始終保持低阻抗。因此,在實際電路中,需要構(gòu)建一個由多個不同容值電容器組成的退耦網(wǎng)絡(luò)。小容量電容(如0.1μF, 0.01μF, 1000pF, 100pF)擁有較高的自諧振頻率,負責(zé)濾除中高頻噪聲;而大容量電容(如10μF, 47μF)或電解電容負責(zé)濾除低頻紋波和提供電荷儲備。這些電容并聯(lián)后,它們的阻抗曲線相互疊加,從而在從低頻到極高頻的整個范圍內(nèi)形成一條平坦的低阻抗路徑。PCB上的電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)設(shè)計就是基于此原理,通過精心選擇不同容值、不同封裝的電容并合理布局,來實現(xiàn)超寬帶的低阻抗目標(biāo),確保電源完整性。它是實現(xiàn)電源完整性(PI)和信號完整性的基礎(chǔ)。111UDA9R1D100TT
超寬帶電容除了用于退耦,還與電感組合,構(gòu)成LC濾波器,用于信號線的噪聲濾除。通過精心選擇電容和電感的 values,可以設(shè)計出帶通、帶阻或低通特性的濾波器,覆蓋非常寬的頻帶。例如,在高速數(shù)字接口(如PCIe)中,常使用LC濾波器來抑制EMI。在此類應(yīng)用中,要求電容和電感自身都具有低損耗和高SRF,以確保濾波器在目標(biāo)頻段內(nèi)的性能符合預(yù)期,避免因元件自身的寄生參數(shù)導(dǎo)致性能惡化。光模塊(如400G, 800G OSFP)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸,其內(nèi)部的激光驅(qū)動器(LDD)、跨阻放大器(TIA)和時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路都是高速模擬電路,對電源噪聲非常敏感。超寬帶電容為這些電路提供本地去耦,確保信號的純凈度,從而降低誤碼率(BER)。同時,在光電轉(zhuǎn)換的接口處,也需要超寬帶電容進行隔直和匹配。其性能直接影響到光模塊的傳輸距離、功耗和可靠性。111SJ8R2K100TT它能夠有效抑制電磁干擾(EMI),提升產(chǎn)品合規(guī)性。
介質(zhì)材料的選擇直接決定了電容器的基本頻率和溫度特性。Class I類材料,如COG(NPO)特性,具有比較高的穩(wěn)定性:其介電常數(shù)隨溫度、頻率和電壓的變化微乎其微,損耗角正切(tanδ)極低,非常適合用于要求高Q值、低損耗和超穩(wěn)定性的超寬帶高頻電路、諧振器和濾波器中。但其相對介電常數(shù)較低,因此難以在小體積內(nèi)實現(xiàn)高容值。Class II類材料,如X7R、X5R特性,具有高介電常數(shù),能在小尺寸下實現(xiàn)高容值,常用于電源退耦和通用濾波。但其容值會隨溫度、頻率和直流偏壓明顯變化,損耗也較高,在高頻高性能應(yīng)用中受限。超寬帶應(yīng)用會根據(jù)具體頻段和功能需求混合使用這兩類材料,以達到性能與成本的比較好平衡。
系統(tǒng)級封裝(SiP)是電子 miniaturization 的重要方向。在其中,嵌入式電容技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色。該技術(shù)將電容介質(zhì)材料(如聚合物-陶瓷復(fù)合材料)以薄膜形式直接沉積在SiP基板(如硅中介層、陶瓷基板、有機基板)的電源層和地層面之間,形成分布式的去耦電容。這種結(jié)構(gòu)的比較大優(yōu)勢是幾乎消除了所有封裝和安裝電感(ESL極低),提供了近乎理想的超寬帶去耦性能,同時極大節(jié)省了空間。這對于芯片間距極小、功耗巨大且噪聲敏感的2.5D/3D IC封裝(如HBM內(nèi)存與GPU的集成)至關(guān)重要,是解決未來高性能計算電源完整性的終方案之一。失效模式包括機械裂紋、電極遷移和性能退化等。
現(xiàn)代汽車電子,特別是自動駕駛系統(tǒng)和ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng)),高度依賴各種傳感器(攝像頭、激光雷達、毫米波雷達)和高速數(shù)據(jù)處理單元。車載毫米波雷達工作在24GHz和77GHz頻段,其射頻前端需要超寬帶電容進行退耦和隔直,以確保探測精度和距離分辨率。域控制器和高速網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)處理能力要求極高,需要超寬帶退耦技術(shù)來保障處理器和存儲器的穩(wěn)定運行。此外,汽車電子對元器件的壽命、可靠性、耐溫性和抗振動性要求極高,車規(guī)級AEC-Q200認證的超寬帶電容成為不可或缺的重心組件,直接關(guān)系到行車安全。小型化封裝(如0201)固有電感更低,高頻性能更優(yōu)異。111UJ680K100TT
汽車電子系統(tǒng)依賴其保證ADAS傳感器數(shù)據(jù)處理可靠性。111UDA9R1D100TT
在現(xiàn)代高速電路設(shè)計中,憑借經(jīng)驗或簡單計算已無法設(shè)計出有效的超寬帶退耦網(wǎng)絡(luò)。必須借助先進的仿真工具。電源完整性(PI)仿真軟件(如ANSYS SIwave, Cadence Sigrity, Keysight ADS)可以導(dǎo)入實際的PCB和封裝布局模型,并加載電容器的S參數(shù)模型(包含其全頻段特性),精確仿真出目標(biāo)頻段(從DC到40GHz+)的電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)阻抗。工程師可以通過仿真來優(yōu)化電容的數(shù)量、容值、封裝類型和布局位置,在制板前就預(yù)測并解決潛在的電源噪聲問題,很大縮短開發(fā)周期,降低風(fēng)險。111UDA9R1D100TT
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