高速數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代高速數(shù)字系統(tǒng)對電源完整性和信號完整性提出了極高要求。超寬帶電容在處理器、FPGA和ASIC的電源去耦中至關(guān)重要。隨著數(shù)字信號速率達(dá)到數(shù)十Gbps,電源噪聲成為限制系統(tǒng)性能的主要因素。超寬帶電容通過提供低阻抗的電源濾波,有效抑制高頻噪聲。采用陣列式布局的超寬帶電容模塊,能夠?yàn)樾酒峁闹绷鞯紾Hz頻段的低阻抗路徑,確保電源穩(wěn)定性。在高速SerDes接口中,超寬帶電容還用于AC耦合和阻抗匹配,保證信號傳輸質(zhì)量。自諧振頻率(SRF)越高,電容器有效工作頻率上限就越高。116SGA390J100TT
在現(xiàn)代高速電路設(shè)計中,憑借經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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。111UHC130K100TT其主要價值在于有效抑制從低頻到高頻的電源噪聲。
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(shí)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。
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(shí)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。 低ESL設(shè)計能減少高頻下電容自身的發(fā)熱和效率損耗。
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(shí)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(fù)責(zé)濾除中高頻噪聲;而大容量電容(如10μF, 47μF)或電解電容負(fù)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(shí)現(xiàn)超寬帶的低阻抗目標(biāo),確保電源完整性。在高級服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心中保障計算節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。111UF111K100TT
需關(guān)注其直流偏壓特性,尤其在低電壓大電流應(yīng)用中。116SGA390J100TT
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(shí)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。116SGA390J100TT
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