Рис. 5.6.
Для отсутствия паразитной связи шина питания по переменному току должна быть замкнута на корпус. Это в идеале. На практике же модуль импеданса между питанием и корпусом всегда больше нуля. На относительно низких частотах (до сотен килогерц) проще всего обеспечить низкий импеданс переменному току между питанием и корпусом применением интегральных стабилизаторов. Их динамическое (т.е. переменному току) сопротивление очень мало (миллиомы) на низких частотах и возрастает до десятых долей ома на сотнях килогерц.
На высоких частотах используют блокировочные конденсаторы. Казалось бы, это простой элемент: с ростом частоты импеданс конденсатора должен падать. Но действительность сложнее.
На рис. 5.6 показаны измеренные частотные зависимости реактивного сопротивления JX четырех разных конденсаторов: 0,1 мкФ, 3,3 нФ, 1000 пФ и 220 пФ. Все эти конденсаторы с выводами примерно по 3 … 4 мм. Выше определенной частоты (своя для каждого конденсатора) JX меняет знак и становится положительным. Выше этой частоты (называемой собственной резонансной) по импедансу это уже не конденсатор, а маленькая индуктивность, положительное реактивное сопротивление которой растет с частотой.
Собственная резонансная частота конденсатора зависит от его емкости, конструкции и длины выводов. Резонанс последовательный, т.к. емкость конденсатора и его паразитная индуктивность включены последовательно (см. рис. 5.5). На этом резонансе импеданс блокировочного конденсатора близок к нулю.
Результаты, показанные на рис. 5.6 типичны для конденсаторов с короткими выводами. У безвыводных SMD (аббревиатура от англ. surface-mount device: детали поверхностного монтажа) конденсаторов из-за отсутствия выводов и их паразитной индуктивности резонансные частоты выше, но не очень намного. Это различие сильнее выражено у конденсаторов большей емкости, как показано в табл. 5.1. Причина этого в том, что у конденсаторы большой емкости выполняются многослойными. Из-за этого их внутренняя паразитная индуктивность мала (N параллельно соединенных обкладок уменьшают индуктивность в N раз). Поэтому общая паразитная индуктивность конденсатора большой емкости определяется в основном внешними выводами. А у конденсаторов малой емкости есть только две обкладки и паразитная индуктивность конденсатора определяется в основном ими, поэтому отсутствие выводов мало повышает резонансную частоту.
Табл. 5.1. Собственная резонансная частота конденсатора.
| Тип конденсатора | 0,1 мкФ | 3,3 нФ | 1000 пФ | 220 пФ |
| С выводами 3…4 мм | 4,8 МГц | 31 МГц | 82 МГц | 191 МГц |
| SMD, размер 0805 | 10 МГц | 51 МГц | 92 МГц | 196 МГц |
Если ваше устройство работает в относительно узком диапазоне частот, то лучшим в качестве блокировочного будет конденсатор максимальной емкости, у которого собственная резонансная частота равна или немного ниже максимальной частоте в устройстве. При этом модуль импеданса между питанием и корпусом будет наименьшим.
А вот если спектр сигналов широкий, то заблокировать питание во всей полосе становится серьёзной задачей. Один конденсатор любой емкости с этим не справляется. В нижней части полосы велико его емкостное сопротивление, в верхней – индуктивное.
Очевидным вариантом в этом случае представляется параллельное соединение нескольких блокировочных конденсаторов разной емкости, с собственными резонансными частотами равномерно (по логарифмической шкале) распределенными по всей требуемой полосе. Кажется, что по мере роста частоты выше собственной резонансной самого большого конденсатора, в дело будут вступать более высокочастотные конденсаторы меньшей емкости, шунтируя собой паразитную индуктивность низкочастотного конденсатора. И в результате во всей полосе импеданс такой системы будет низким.
Но жизнь опять оказывается сложнее теоретических прикидок. Посмотрите на пунктирную линию на рис. 5.6. Это измеренный модуль импеданса системы из четырех параллельно соединенных конденсаторов 0,1 мкФ, 3,3 нФ, 1000 пФ и 220 пФ. По идее, такая система должна обеспечить отличную блокировку с низким импедансом в очень широкой полосе. Но измерения показывают, что наши ожидания не совсем оправдались. Ниже 20 МГц всё ожидаемо: модуль импеданса определяется наибольшим конденсаторам 0,1 мкФ. А вот выше, вместо ожидаемого спада импеданса из-за ”перехвата” более высокочастотными конденсаторами, мы видим отчетливые резонансные пики. Модуль импеданса на частотах 30, 80 и 160 МГц поднимается до 4…6 Ом. Вместо ожидаемых (исходя из графиков рис. 5.5 для отдельных конденсаторов) 0 …1 Ома.
Дело проясняется, если вспомнить, что на этих частотах большой конденсатор имеет индуктивный импеданс, т.е. фактически эквивалентен катушке. И параллельно этой катушке мы подключаем высокочастотные конденсаторы. Образуется параллельный колебательный контур, импеданс которого на резонансе возрастает. Что мы и видим на пунктирном графике рис. 5.6 Три пика параллельного резонанса (т.к. между четырьмя конденсаторами есть три частотных области «стыковки», где импеданс большего индуктивный, а меньшего емкостной).
Запомним: при параллельном соединении нескольких блокировочных конденсаторов разной емкости между их собственными резонансными частотами (последовательного резонанса) обязательно найдутся частоты параллельного резонанса (индуктивность нижнего + емкость верхнего) на которых суммарный модуль импеданса подпрыгивает до нескольких ом.
Поэтому, если требуется заблокировать очень широкий спектр набором конденсаторов разной емкости, то ваш каскад должен быть рассчитан на то, что на некоторых частотах импеданс шины питания на землю будет достигать нескольких ом.
Попробуем иной путь блокировки шины питания. Раз параллельное соединение нескольких конденсаторов разной емкости приводит к паразитным параллельным резонансам, то соединим параллельно несколько одинаковых блокировочных конденсаторов. Поскольку их собственные резонансные частоты равны, то параллельный резонанс не образуется. Представляется, что собственная резонансная частота такого набора не изменится, а полоса блокировки расширится и вниз (параллельное соединение нескольких емкостей) и вверх (параллельное соединение нескольких индуктивностей).
Но практика снова не совсем такова, как нам кажется. Посмотрите на рис. 5.7. На нём повторен график частотной зависимости JX конденсатора 0,1 мкФ и наложен измеренный график JX для пяти параллельно соединенных конденсаторов 0,1 мкФ. На последнем графике есть ожидаемое уменьшение реактивности на низких частотах: параллельное соединение конденсаторов увеличивает емкость.
А вот расширения полосы вверх не произошло. Индуктивная составляющая выше резонанса идет почти так же, как и для одного конденсатора. А сама частота собственного резонанса понизилась с 4,8 МГц для одного конденсатора до 3,6 МГц для пяти параллельно соединенных. Почему? Дело оказывается в том, что при параллельном соединении нескольких конденсаторов мы физически не можем сделать их выводы одинаковой длины до точки подключения. Один ближайший конденсатор будет с короткими выводами (и иметь такую зависимость JX, как показана на рис. 5.6 и 5.7 для одного конденсатора). А вот все остальные конденсаторы будут расположены дальше. Их выводы (или печатные дорожки к ним) будут длиннее, и соответственно больше паразитная индуктивность.
Поэтому при параллельном соединении конденсаторов их общая индуктивность почти не уменьшается. Она определяется наименьшей из всех, т.е. индуктивностью выводов ближайшего к точке измерения конденсатора. Из-за этого график JX для пяти конденсаторов на рис. 5.7 выше 10 МГц идёт почти так же, как и для одного конденсатора.
Становится понятным и снижение собственной резонансной частоты: емкость возросла впятеро, а индуктивность уменьшилась намного меньше, чем в пять раз (из-за того, что соединяются параллельно разные индуктивности: малая ближнего конденсатора и большие дальних).
Запомним: если блокировочный конденсатор собирается из большого числа параллельно включенных одинаковых, то собственная резонансная частота одного конденсатора должна быть выше верхней рабочей частоты каскада. Такое соединение расширяет полосу блокировки вниз, но не расширяет её вверх по сравнению с одиночным конденсатором.
Как лучше выполнять блокировку питания по ВЧ широкополосных каскадов? Зависит от перекрытия (отношения верхней частоты к нижней).
Если перекрытие по частоте меньше 100…200 (200 … 400 для SMD большой емкости), лучший результат дадут несколько одинаковых параллельных блокировочных конденсаторов. Возможно получение очень низкого (менее 1 … 2 Ом, уменьшается с сужением перекрытия) модуля импеданса во всей полосе (см. рис. 5.7).
Если перекрытие по частоте больше 500, надо параллельно соединять несколько конденсаторов разной емкости с разными собственными резонансными частотами. Но между этими частотами появятся паразитные параллельные резонансы, на которых модуль импеданса будет повышаться до нескольких ом (см. рис. 5.6).
В заключение замечу, что имея в виду устойчивость против паразитного самовозбуждения на СВЧ (п. 5.3.3), полезно выбирать верхнюю частоту блокировки в несколько раз выше максимальной частоты спектра полезного сигнала.