Modelado de elementos pasivos a altas frecuencias

Question

Es bien sabido que cualquier elemento eléctrico pasivo (Resistencia, Condensador,Inductor) contiene parásitos que suelen manifestarse en rangos de alta frecuencia de operación.

Por ejemplo, una resistencia en CC puede modelarse, simplemente, por una resistencia que depende del material y la geometría del elemento. A frecuencias más altas, la capacitancia y la inductancia parásitas comienzan a aparecer, y esto se puede encontrar experimentalmente (por ejemplo) por:

1. Diferencia de fase entre tensión y corriente.

2. Dependencia de la impedancia respecto a la frecuencia.

El mismo argumento es válido también para condensadores e inductores, en los que se altera su modelo ideal y se añaden efectos parásitos a altas frecuencias.

El diagrama de Impedancia vs. Frecuencia nos puede informar sobre estas parásitas y cuándo empiezan a aparecer. También nos informará sobre el rango de frecuencia válido de funcionamiento, en el que después de él, el elemento ya no se comporta normalmente (Un inductor que actúa como un condensador después de su frecuencia de auto-resonancia (SRF) por ejemplo) como se muestra a continuación:

Por tanto, cuando mencionamos el término "altas frecuencias", nos referimos (¿probablemente?) a más allá de la SRF, ya que los elementos empiezan a comportarse de forma no deseada.

A mi entender, todo elemento pasivo se comporta generalmente de una manera que he pensado explicar mediante la figura siguiente:

Mis preguntas están de alguna manera interconectadas y lo están:

1. ¿Es correcto el concepto de la figura (2)?

2. Además de los parásitos mencionados anteriormente, parece que hay variaciones en los valores físicos de L, C y R (región azul de la figura 2), lo que significa que todos ellos son funciones de la frecuencia: R(w), C(w), L(w). ¿Es esto cierto?

Concluí esto de:

a. Efecto piel para R, haciéndolo función de la frecuencia.

b. Imagen nº 1 anterior (gráfico azul). ¿Realmente la inductancia se vuelve negativa, o es la herramienta que estamos utilizando la que me está diciendo que el valor de mi inductor se perdió debido al gran valor de la capacitancia parásita?

3. ¿Cómo influye el tamaño geométrico del elemento pasivo (independientemente de su forma) en la determinación de la frecuencia que separa las regiones verde y azul en la figura (2)? En otras palabras, ¿hay alguna forma de determinar si tengo que tener en cuenta o no los efectos de la CA conociendo el tamaño de mi característica?

4. ¿Podemos decir que la línea que separa las regiones azul y roja puede ser representada por la SRF?

Answer 1

¿Es correcto el concepto de la figura (2)?

**SÍ, inductancia negativa (-j) significa capacitancia a f alta después de PRF. La capacitancia negativa (j) del metal en serie alrededor de <1 nH/mm es inductiva después de SRF.

La cerámica también es un cristal con SRF y puede tener una PRF en casos especiales, especialmente cuando se utilizan tapones en paralelo, juntos como en MLCC o en PCB , excepto para los tipos NP0/C0G.**

Las pruebas de impedancia con un analizador de redes pueden medirlas si hay problemas.

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No es exactamente como se muestra o como usted supone. Tampoco es posible tener un modelo universal para todos los componentes pasivos. L&C tendrá R en serie y C en paralelo,

C tendrá serie R,L y paralelo R, y a veces más partes en el modelo

Los componentes pueden tener una frecuencia de resonancia en serie y en paralelo y muchas otras variables para Vcc, T('C), I(L) con saturación.

Es posible utilizar tapones por encima de la "frecuencia de resonancia en serie", SRF, pero a menudo es útil tener inductores cerca o por encima de la "frecuencia de resonancia en paralelo", PRF, a menos que se añada otro en serie con una PRF más alta.

(A veces, las especificaciones utilizan SRF para ambos modos como frecuencia de autorresistencia).

Cuando su frecuencia de funcionamiento está en el rango de la SRF, es necesario elegir una pieza diferente con SRF más alto, o una pieza parte "adicional" para proporcionar la impedancia deseada (L más pequeño extra en serie o C más pequeño en //)

Lecturas recomendadas http://www.johansontechnology.com/srf-prf-for-rf-capacitors

• Los ingenieros de RF conocen las relaciones L/W que controlan la inductancia o ESL de los Caps y stripline. SRF en realidad se refiere a la frecuencia de resonancia en serie de los condensadores, que también tienen una anti-resonancia (PRF o res.freq. paralelo) elevando ligeramente la ESR en una cantidad controlada para reducir estos efectos y EXTENDER el rango "ÚTIL" de baja impedancia a la derecha en el eje de frecuencia. es decir, útil por encima de SRF.

• Los Inductores tienen una Frecuencia Resonante Paralela, mientras que los Caps tienen tanto una SRF como una PRF ya que no tienen el cap Cs.

• Los resonadores como los MEMS y el cuarzo utilizan el mismo modelo anterior, pero tienen una inductancia masiva para su tamaño y una diminuta capacitancia en serie de <<1pF>>, por lo que su PRF es lo primero seguido de la SRF.

Answer 2

1/2) Más o menos, trato de aclarar, Me parece que usted cree que su gráfico en la figura (2) muestra R y L variaciones w.r.t frecuencia.
Ese gráfico simplemente muestra la impedancia de un circuito resonante paralelo hecho de aproximadamente constante 100nH inductor, 45kohm resistencia y un \$\frac{1}{(2\pi\times 2\,\text{GHz})^2\times 100\,\text{nH}}\approx 65\,\text{fF}\$ condensador.
Esta es una primer nivel aproximación que, sin embargo, puede ser buena en muchas circunstancias.
Entonces se puede argumentar que la resistencia depende de la frecuencia y añadir esto al modelo, lo mismo para la inductancia y la capacitancia, pero esto normalmente no se puede ver en los gráficos a menos que se mida cuidadosamente, se analice y se ajusten las curvas a los modelos.
Luego puedes añadir muchos otros parásitos extra y no lineridades señalados anteriormente por otros colaboradores, pero no hay tal evidencia en el barrido que has publicado.

b) Su medidor muestra una inductancia variable (posiblemente negativa) sólo porque usted se lo pide. Simplemente mide una impedancia, una relación compleja entre la tensión y la corriente y, a continuación, lo representa como usted lo configuró para hacer: usted pidió Ls + Rs y si la fase de impedancia medida no está de acuerdo con ese modelo, simplemente sigue calculando y encuentra "inductancias negativas".

El límite de utilidad (transición verde/azul en la figura (2)) no depende únicamente de la parásita de tu componente, sino que depende en gran medida del resto del circuito. Por ejemplo, si utilizas ese inductor en un resonador, deberías añadir la capacitancia parásita a los cálculos y ver si obtienes cifras coherentes.

4) Sí SRF es ese límite de azul a rojo.

3) La dimensión sí cuenta. En el caso de las resistencias y los condensadores, cuanto más larga sea la pieza, mayor será la inductancia parásita. Por ejemplo, un SMD 0204 o 0603 pequeño puede tener unos cientos de pH, mientras que algunos condensadores HV MKM grandes que utilicé estaban especificados como 7nH/cm en relación con el paso de los terminales.