Высокочастотный конденсатор что это
Конденсаторы постоянной ёмкости
Это вторая часть статьи конденсаторы настоятельно рекомендую ознакомится с первой частью.
Конденсаторы постоянной ёмкости
Конструкция, параметры и назначение конденсаторов зависит от рабочего диапазон частот.
Низкочастотные конденсаторы постоянной ёмкости используют в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов низкой частоты в качестве разделительных, блокировочных, фильтровых. К низкочастотным конденсатором относятся бумажные, металлобумажные, плёночные некоторые керамические.
Бумажные и металлобумажные конденсаторы обладают рядом недостатков:
Поэтому плёночные и керамические низкочастотные конденсаторы выгодней выделяются на их фоне так как они лишены недостатков присущих бумажным и металлобумажным конденсаторам.
Высокочастотные конденсаторы характеризуются незначительными потерями в диэлектрике, высокой стабильностью и точностью параметров, достаточной температуростойкостью, малыми габаритами и массой. Высокочастотные конденсаторы применяются в схемах генераторов и усилителей радиочастот. Наиболее точные и стабильные конденсаторы используют как контурные, а остальные — в качестве разделительных, фильтровых и термокомпенсирующих в высокочастотных цепях.
К высокочастотным конденсаторам относятся:
Эти загадочные конденсаторы
Эта статья — об особенностях керамических конденсаторов, которые проявляются на высоких частотах (порядка десятков, сотен мегагерц и выше). Статья основана на материалах исследований, проводимых специалистами компании Johanson Technology.
Речь в основном пойдет о керамических конденсаторах, годных для применения в:
Чаще всего для уменьшения габаритов керамические конденсаторы выполняются в виде многослойных керамических конденсаторов — MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor, структура которых показана на следующей картинке: 
Одним из мировых лидеров в производстве высокочастотных керамических конденсаторов является компания Johanson Technology, материалы которой и послужили основой для этой статьи.
Что происходит с конденсаторами при увеличении частоты?
При увеличении рабочей частоты первой «особенной» частотой, с которой сталкиваются исследователи, является частота последовательного резонанса – SRF, Series Resonant Frequency. Как известно из курса физики, это частота, при которой реактивное сопротивление идеального конденсатора компенсируется реактивным сопротивлением последовательно включенной идеальной катушки индуктивности таким образом, что общее сопротивление цепи становится равным нулю. В случае керамического конденсатора явление последовательного резонанса объясняется наличием паразитной индуктивности выводов и обкладок конденсатора. И примечательна SRF в нашем случае следующим:
Интересно отметить, что в общем случае, согласно экспериментальным данным, получить грубую оценку частоты первого параллельного резонанса можно, удвоив значение частоты последовательного резонанса.
Другим интересным фактом является то, что можно избавиться от всех нечетных частот параллельного резонанса, включая первую, просто расположив пластины внутренних обкладок многослойного конденсатора не параллельно поверхности печатной платы, а перпендикулярно!
Посмотрите на пример зависимости вносимого ослабления от частоты при двух вариантах расположения обкладок, который приводит Johanson: 
На верхней картинке обкладки конденсатора расположены параллельно печатной плате, а на нижней – перпендикулярно.
Предполагается, что исчезновение нечетных частот PRF связано с уменьшением паразитных емкостей между обкладками керамического конденсатора и печатной платой. Но почему при этом исчезают нечетные резонансы и остаются четные? Если у вас есть какие-нибудь мысли по этому поводу – добро пожаловать в комментарии!
Так как частоты SRF и PRF керамических конденсаторов могут лежать в очень широком диапазоне, информация о них становится жизненно необходимой при проектировании электронных устройств.
В своей документации Johanson Technology приводит значения этих частот, причем частота PRF соответствует частоте первого параллельного резонанса (обкладки конденсатора расположены параллельно поверхности платы).
Вот типичные значения резонансных частот для конденсаторов Johanson Technology размера 0402:
И типичные значения резонансных частот для конденсаторов Johanson Technology размера 0603:
Как видим, резонансные частоты перемещаются в область более низких частот при увеличении емкости и уменьшении размеров конденсаторов. А это приводит к сужению диапазона рабочих частот в случае, когда необходимо, чтобы этот конденсатор вел себя подобно… конденсатору!
Практические рекомендации
где L — индуктивность, нГн, x — длина проводника, см, w — ширина проводника, см, h — высота проводника, см.
Если в устройстве используется модуль беспроводной связи Bluetooth, Wi-Fi, GSM, GPS и пр. с внешней антенной, то обычно рекомендуется предусмотреть в антенной цепи места для установки согласующих элементов (placeholders). Это позволяет при необходимости произвести безболезненную настройку высокочастотной части плат. Для упрощения этой задачи Johanson Technology предлагает использовать специальные кассы высокочастотных компонентов, которые делают процесс согласования ВЧ цепей менее трудоемким.
Министерство образования Республики Беларусь
“Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники”
«Высокочастотные и низкочастотные конденсаторы
постоянной ёмкости. Полупеременные конденсаторы медицинской электроники»
Высокочастотные конденсаторы (керамические, слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и стеклянные) имеют малую паразитную индуктивность и незначительные потери в диэлектрике, обладают высокими стабильностью (10 1/ С) и точностью (до 2%), достаточной температуростойкостью, малыми габаритами и массой.
Рис. 1. Высокочастотные конденсаторы
Керамические малогабаритные пакетные конденсаторы КМ-6 (монолитные) обладают повышенной удельной емкостью вследствие малой толщины пластинок (0,2 мм), спрессованных в пакет, или применения керамики, обладающей высокой диэлектрической постоянной (тиконд-150, сегнетокерамика).
Керамические трубчатые конденсаторы КТ, КТ-1Е и КТ-2Е, обладающие высокой точностью, стабильностью и надежностью, чаще используются как контурные, имеют размеры (3,57)(1050) мм и радиальные гибкие проволочные выводы. Конденсаторы КТ-1Е и КТ-2Е (повышенной надежности) похожи по конструкции на резисторы ОМЛТ (на трубки надеты колпачки с проволочными аксиальными выводами).
Керамические трубчатые проходные КТП и опорные КО конденсаторы, используемые в качестве фильтровых при напряжении до 750 В, ввинчиваются в шасси аппаратуры металлическими резьбовыми фланцами.
Керамические миниатюрные конденсаторы К10 предназначены в качестве компонентов микросхем и микросборок.
Конденсаторы К10-22 имеют диаметр от 1,7 до 6,7 мм и толщину не боле 0,3 мм.
Конденсаторы К10-23 по конструкции аналогичны первому варианту исполнения конденсаторов К10-17, имеют размеры 94,56,5 мм и применяются в условиях тропического климата.
Конденсаторы К10-42 (незащищенные для СВЧ техники), предназначенные для работы на частоте до 2 ГГц, имеют торцевые луженые или серебреные контакты; их размеры 1,5(1,31,4)(11,2) мм.
Слюдяные опрессованные конденсаторы КСОТ и К31У-3Е нескольких типоразмеров отличаются габаритами, массой, выводами (проволочные, ленточные, резьбовые) и используются как контурные и разделительные в высокочастотных цепях. Эти конденсаторы имеют четыре группы стабильности, обозначаемые на корпусе буквами А, Б, В, и Г. наиболее стабильны конденсаторы группы Г (с металлизированными обкладками), поскольку их ТКЕ определяют в основном КТР диэлектрика (слюда), а не фольги, который значительно больше. Конденсаторы пропитываю церезином и опрессовывают термоактивной пластмассой.
Стеклянные конденсаторы К21-7 предназначены для работы в высокочастотных, а также импульсных устройствах, выпускаются тропического исполнения прямоугольной формы с размерами (7,511)(33,5)(9,511,5) мм и предназначены для установки на печатные платы.
Стеклокерамические конденсаторы К22-4 применяют в герметизированных микросхемах вместо конденсаторов К10-9 и К10-17, стоимость которых выше. Размеры этих конденсаторов (2,76,1)(2,86,8)2,1 мм.
Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости
В цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов низкой частоты в качестве фильтровых, блокировочных и разделительных применяют конденсаторы большой номинальной емкости. Такими конденсаторами являются бумажные, металлобумажные, пленочные и в большей части электролитические, а также оксидно-полупроводниковые.
Бумажные конденсаторы обладают повышенной удельной емкостью вследствие малой толщины диэлектрика (до 5 мкм), достаточно температуростойки и дешевы в изготовлении.
Металлобумажные конденсаторы имеют еще более высокую удельную емкость, поскольку их изготавливают из металлизированной бумаги с весьма тонким (до 1 мкм) слоем металлизации. После пробоя благодаря выгоранию слоя металлизации вокруг канала пробоя (обуглившегося столбика бумаги) они самовосстанавливаются, т.е. исчезает короткое замыкание обкладок.
Основными недостатками бумажных и металлобумажных конденсаторов являются большие потери и невысокая стабильность. Кроме того, практически все эти конденсаторы требую пропитки и герметизации корпуса. Электрическая прочность металлобумажных конденсаторов в процессе старения снижается и, кроме того, они имеют низкое сопротивление изоляции (за счет миграции ионов слоя металлизации в бумагу), что необходимо учитывать при расчете разделительных цепей каскадов усилителей.
Рис. 2. Бумажные, металлобумажные и пленочные конденсаторы:
Конденсаторы К40У-9 (в герметизированном металлическом корпусе) цилиндрической формы, с аксиальными выводами используются как блокировочные и разделительные. Предшественниками их являлись конденсаторы К40П-2 (малогабаритные в пластмассовой опрессовке), которые и сейчас могут применяться в РЭА широкого назначения.
Конденсаторы К42П-5 (цилиндрические с герметичными торцами) предназначены для малогабаритной аппаратуры, эксплуатируемой в сравнительно легких условиях.
При крайних значениях температур отклонение емкости бумажных и металлобумажных конденсаторов от номинальной не превышает 15%.
Воздушные конденсаторы переменной емкости
Для перестройки рабочей частоты радиоприемника или радиопередатчика изменяют индуктивность или емкость колебательного контура. Чаще всего в наземных устройствах изменяют емкость контура, для чего используют воздушные переменные конденсаторы. В зависимости от угла поворота роторных пластин относительно статорных изменяется действующее значение емкости между ними. При этом варьируемой величиной является площадь пластин, а зазор и диэлектрическая постоянная остаются неизменными.
Полупеременные конденсаторы. Конденсаторы специального назначения
Полупеременные конденсаторы предназначены для настройки контуров в процессе производства. Емкость этих конденсаторов в зафиксированном положении не должна изменяться.
Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, имеющие резко нелинейную зависимость емкости от температуры, и используются для управления параметрами электрических цепей, например в умножителях частоты.
В варикапах используется изменение ширины базы p—n—перехода при подаче переменного модулирующего напряжения и постоянном запирающем напряжении (порядка 4 В). В этом случае p—n—переход представляет собой конденсатор малой емкости (несколько десятков пикофарад) с возможными пределами ее изменения на несколько единиц пикофарад при амплитуде модулирующего напряжения в несколько десятых вольта. Варикапы используются для частотной модуляции в диапазоне УКВ, а также для автоподстройки.
Конденсаторы интегральных микросхем
Тонкопленочные конденсаторы гибридных ИС (рис. 93) обладают более высокими свойствами: диапазон их емкостей лежит в пределах от единиц до 10 000 пФ, температурная стабильность составляет 2*10 1/С, а технологический разброс параметров равен 10%. Такие конденсаторы представляют собой трехслойную структуру в виде диэлектрика и двух нанесенных на него распылением низкоомного металла тонкопленочных обкладок.
Варистор. Вольтамперные характеристики варисторов:
Конденсаторы для ВЧ/СВЧ.
Часть 3. Пленочные и электролитические
Особенности конструкции и применения
Необходимо сказать о том, как свойства органических вообще и пленочных диэлектриков в частности определили конструктивные особенности и сферы применения конденсаторов этого типа. Пожалуй, главным фактором, определившим современный набор конструктивных исполнений органических конденсаторов, является неширокий по сравнению с керамическими конденсаторами температурный диапазон применения органических полимеров. Это резко снизило возможности использования полимеров в чип-конденсаторах. Речь, прежде всего, идет о процессе пайки, в результате которого может происходить температурное разрушение либо деградация конденсаторов. Дополнительные сложности в «жизнь» органических чип-конденсаторов внесло появление требований RoHS по пайке бессвинцовыми припоями. Поскольку температура плавления таких припоев выше, чем свинцовосодержащих, значительная часть известных серий, в частности пленочных конденсаторов, имеет ограничения при пайке. Часто это невозможность использовать технологию двухволновой пайки либо ограничения по времени прохождения волны припоя. Многолетняя статистика рынка, собранная в основном по пленочным конденсаторам, показывает, что 80–90% таких конденсаторов выпускается в выводном исполнении. Пайка выводов не ухудшает свойств собственно конденсатора.
Органические конденсаторы для ВЧ/СВЧ
Несмотря на то, что признанным лидером в области высокочастотных приложений принято считать керамические конденсаторы, органические полимеры успешно осваивают этот специфический диапазон. Говоря о применении полимерных конденсаторов на высоких частотах, можно упомянуть об авторской технологии AVX — многослойных органических структурах MLO (Multilayer Organic). Эта технология появилась именно как результат усилий по расширению частотного диапазона применения полимерных устройств. Суть ее заключается в том, что из полимерных материалов и посредством отработанных пленочных технологий создается многослойная подложка, стек слоев которой содержит один или несколько уровней полимера с малыми потерями на высоких частотах. Эти слои «зажаты» между слоями металлизации и разделительными. Слои металлизации используются для формирования стандартных компонентов, посредством трассировки соединяемых в целевые устройства. Стандартный стек слоев подложек первого поколения описан в [1] и представлен на рис. 1.
Рис. 1. Подложка MLO с шестью слоями металлизации
Синим цветом на рис. 1 обозначены переходные отверстия между слоями. Основной проблемой при создании этого типа подложек был поиск полимерного материала, имеющего малые потери на высоких частотах и при этом высокую диэлектрическую проницаемость для формирования значительной емкости в малых габаритах. В настоящее время в качестве таких материалов для high-Q‑слоев используются политетрафторэтилен (PTFE) и жидкокристаллические полимеры (LCP). Высокочастотные полимерные подложки MLO стали исключительно благодатной средой для размещения в них стандартных компонентов для повсеместно используемых радиотехнологий: беспроводных сетей многих протоколов, широковещательных спутниковых систем, автомобильных радиосистем и т. п. По технологии MLO выполняются конденсаторы, индуктивности, диплексеры, согласующие четвертьволновые трансформаторы, фильтры, ответвители и другие компоненты, вплоть до радиочастотных микросхем (RFIC). При этом на наружных металлизированных слоях подложек может выполняться стандартная трассировка для SMT-компонентов. Дополнительным бонусом MLO-подложек является их полная совместимость с широко применяемым материалом для печатных плат — FR4. Оба материала имеют одинаковое температурное расширение, и при закреплении MLO-компонентов на печатных платах они не создают дополнительных термических нагрузок на платы. Специалисты фирмы AVX отмечают очень хорошие показатели MLO по диэлектрической абсорбции [2]. По данным [2], этот показатель для MLO составляет 0,0015%, что на порядки лучше абсорбции, например, для керамики NP0 — 0,6%. Это свойство MLO, конечно, весьма востребовано в устройствах выборки/хранения. В качестве практического решения AVX предлагает представленный в [3] MLO-конденсатор формата 0603 (EIA) с диапазоном емкостей 0,1–5,1 пФ, рабочим напряжением 50–250 В. Изделие имеет допуск по номиналу ±0,02 пФ и может применяться в диапазоне частот до 20 ГГц.
Вообще необходимо отметить, что технология сложных подложек переживает период стремительного развития не только в области пленочных технологий. Для керамики примером тому служат 3D однослойные конденсаторы фирмы IPDiA, речь о которых пойдет ниже. А наиболее полным конструктивным аналогом MLO-подложек от AVX являются сложные керамические подложки CapStrate фирмы Johanson Dielectrics.
Типы пленочных конденсаторов и основные материалы для их производства
Конструкция пленочного (как поясняется в сноске в начале обзора) конденсатора схожа с конструкцией многослойного керамического конденсатора или с конструкцией оксидного (электролитического) конденсатора, с тем отличием, что рулон диэлектрика с металлизацией укладывается прямоугольным брикетом. Конструкция пленочного конденсатора компании Wima приведена на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция пленочного конденсатора компании Wima
Так же как и в ситуации с MLCC, пленочные конденсаторы имеют большое количество конструктивных исполнений, в основном разделенных на три большие группы c корпусами для поверхностного монтажа (SMD) и выводными корпусами с радиальным (Radial) и аксиальным (Axial) расположением выводов. На рис. 3 представлены некоторые примеры исполнений по информационным материалам фирмы Kemet и промышленной группы Exxelia.
Рис. 3. Виды корпусов пленочных конденсаторов от Kemet и Exxelia:
а) SMD-исполнение от Kemet с размерами 12,7×11,5×6,5 мм;
б) SMD Kemet в корпусе DIL6 с минимальными размерами 11×12,2×6,05 мм;
в) низкоиндуктивные SMD-конденсаторы с самовосстановлением от Exxelia;
г) SMD высокочастотные SMPS Exxelia;
д) радиальный конденсатор с сериальным резистором от Kemet;
е) радиальный Exxelia, выводы с резьбой или в виде контактного лепестка;
ж) радиальный высоковольтный до 1000 В, Exxelia;
з) точный радиальный от Exxelia, каждая обкладка соединена с двумя выводами;
и) аксиальный от Kemet для SMPS-применений;
к) аксиальный низкоиндуктивный от Exxelia;
л) аксиальный высоковольтный до 2200 В от Exxelia;
м) аксиальный Exxelia, имеется исполнение, при котором один из выводов соединен с корпусом
Пленочные конденсаторы применяются, как правило, в сильноточных импульсных устройствах, в том числе работающих в нагруженных режимах с малыми скважностями. Хотя эта область электронной техники напрямую не связана с заявленной темой статьи, тем не менее краткий экскурс в нее оправдан, поскольку в развитии электронной индустрии виден процесс конвергенции, при котором высокочастотные устройства становятся сильноточными, а импульсная техника работает на все больших частотах.
В качестве диэлектрика в них чаще всего применяются поликарбонат, полиэстер и полипропилен, которые называют «большой тройкой» пленочных конденсаторов. Эти диэлектрики применяет большинство фирм — производителей пленочных конденсаторов. Хотя в последнее время на первое место выходит полифенилен сульфид (PPS), который активно замещает конденсаторы из поликарбоната [4]. Достаточно распространены на рынке и конденсаторы с диэлектриком из пропитанной бумаги.
Класс пленочных конденсаторов условно делится на два основных типа. Те конденсаторы, у которых металлические обкладки выполняются из фольги (например, тонкой фольги хрома), называются фольговыми. В англоязычной литературе принят термин all-film либо foiled. Встречается также термин film/foil. Ко второму типу относятся конденсаторы, чьи обкладки выполняются непосредственным напылением на пленку диэлектрика тонкой пленки металла. Это металлизированные конденсаторы, или metallized. В количественном соотношении металлизированные конденсаторы выпускаются в значительно больших объемах, чем фольговые. При этом фирмы-производители стараются разрабатывать и использовать проприетарные технологии изготовления для продвижения своей продукции. Так, перед напылением металлической пленки компания AVX проводит обработку диэлектрика коронным разрядом для лучшего сцепления полимера и металла. О причинах количественного неравенства между фольговыми и металлизированными конденсаторами будет сказано ниже.
В зависимости от типа полимера, который используется в качестве диэлектрика, пленочные конденсаторы можно разбить на три большие группы:
Интересно практическое количественное сравнение различных типов диэлектриков, данное в материалах фирмы Kemet [4] (табл. 1). Отметим, что в таблице сопротивление изоляции представлено в виде постоянной времени саморазряда конденсатора (секунды) после минутного заряда напряжением 100 или 500 В, в зависимости от типа испытуемого конденсатора.
