Що насправді викликає серійну індуктивність конденсаторів?

Проводячи деякі дослідження щодо вибору конденсаторів для застосувань високої частоти, поняття еквівалентної серійної індуктивності приходить багато. Мабуть, усі конденсатори мають цю паразитарну індуктивність, яка з'являється послідовно з ємністю компонента. Якщо величина ESL висока, на високих частотах ця індуктивна реактивна здатність може навіть скасувати ємнісну реактивну здатність, а кришка, по суті, діє як резистор, який блокує постійний струм.

Але чому ESL настільки значна? Звичайно, у шапках є дроти, але я думаю, що в решті ланцюга є набагато більше дроту, а тому набагато більша паразитна індуктивність, яка буде набагато більшою проблемою, ніж короткі компоненти. Інакше ковпачки - це просто пластини з діелектриком посередині, тож що саме їх змушує нас так турбуватися про ESL?

Що стосується електролітичних конденсаторів, я знайшов одне пояснення: Пояснювалося, що як кришка в основному довгий рулон фольги, напевно, є велика індуктивність, оскільки рулон фольги діє на зразок котушки. Але я не думаю, що це взагалі має сенс: це не так, як нинішні подорожі по фользі! Струм створює електричне поле в одній фользі, яке знову виробляє струм в іншій фользі. Але це поле з’являється впоперек фольги, а не вздовж нього, тому це пояснення для мене не має сенсу.

То чи може хтось пояснити мені це явище, бажано в контексті як керамічних, так і електролітичних конденсаторів?

відмова від відповідальності: хоча я оцінюю ОП, що прийняв мою відповідь, замість (на даний момент) найбільш голосованої відповіді від Пітера Сміта, будь ласка, обов'язково прочитайте його, оскільки це дуже зрозуміло і корисно. натисніть тут!

Керамічні ковпачки та електролітичні ковпачки мають дуже різні характеристики і застосовуються для дуже різних речей.

Керамічні ковпачки мають дуже низький рівень ESL, як правило, декілька 100 рН для досить невеликого сучасного пакета. Електролітична кришка ESL набагато більша за це.

Аналогічним чином ємність керамічної кришки значно нижча, ніж електролітична кришка.

Ці два факти, узяті разом, призводять до дуже великої різниці в резонансній частоті ковпачка. Електролітичний ковпачок резонує на частоті 100 Гц, тоді як хороший керамічний резонанс на кілька МГц.

Електролітичні ковпачки зазвичай застосовуються при роботі з низькими частотами, такими як згладжування живлення або аудіозапис.

Кераміка використовується там, де ви не можете компрометувати частотну характеристику, наприклад, для високочастотних фільтрів або для фільтрації живлення цифрового високочастотного пристрою, такого як мікроконтролер.

Як ви кажете, схема складається з проводів, як правило, довших, ніж веде ковпачок. Це правда, і саме тому керамічний ковпачок зазвичай встановлюють в декількох мм від точки, яку він повинен фільтрувати / подавати. Кілька мм на друкованій платі, залежно від ширини доріжки, легко на кілька 100 рН індуктивності, тому ви подвоюєте те, що забезпечує кришка.

На високих частотах ковпачок діє не як опір, а швидше як індуктор, і його імпеданс зростає з частотою.

Про те, звідки походить індуктивність, я не впевнений, чи можна отримати інтуїтивно задовольняючу відповідь. Ви кажете, що струм не подорожує фольгою, але це неправда. Вони мають однаковий потенціал і струм не рухається по них тільки в постійному струмі. Що відбувається на частоті 1 МГц? І 1 ГГц? Певна течія, безумовно, протікає і через фольги.

Керамічні набагато краще, вони побудовані як подвійний гребінець:

посилання на джерело

Таким чином "найдовший шлях" значно коротший, тому паразитна індуктивність значно нижча. Якщо ви подивитеся на ESL для кераміки, то побачите, що цифра залежить майже лише від розміру упаковки, чим менший пакет, тим нижчий ESL.

Коли струм тече, існує за визначенням магнітне поле навколо нього. Це призводить до самоіндуктивності будь-якого провідника зі змінним струмом.

Оскільки конденсатор має низький опір при змінного струму (точна кількість залежить від частоти, звичайно), то реальний конденсатор виглядає так:

C1 - номінальний конденсатор, R1 - еквівалентний опір серії , L1 - еквівалентна індуктивність серії, а R2 - опір витоку.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Ви зауважите, зараз у нас є резонансна схема затухаючої серії; внизу саморезонансу він ємнісний, при резонансному - резистивний, а над індуктивним.

Значення ESL залежить як від матеріалів, так і від розміру пристрою; для пристрою зворотної геометрії в упаковці для поверхневого кріплення 0204 він може бути низьким, ніж 300pH; типова 0402 кераміка для поверхневого кріплення становить близько 680pH.

Для пристроїв роз'єднання та з’єднання це важливо у світі високої швидкості.

Давайте зробимо швидкий розрахунок. Якщо я відокремлюю пристрій, який має внутрішню швидкість комутації 200 пікосекунд (зовсім не рідкість і має артефакти частоти на 2,5 ГГц), і я використовую пристрій 0402 0,1 мкФ, тоді фактичний опір становить приблизно 4,3 Ом і він є індуктивним .

Ви правильно це прочитали; конденсатор зараз виконує функцію індуктора.

Типові ESL для поверхневого кріплення:

0402 680pH: 0603 про 900pH: 0805 про 1,2nH

1-дюймова доріжка на 4 ти (досить часто) має близько 5nH індуктивності, для довідки. Це є причиною того, що пристрої для роз'єднання повинні бути настільки близькими до фактичного роз'єднання живлення. Пристрій, який знаходиться на цих лише частотах, що знаходиться на відстані лише 1/2 дюйма, може не існувати.

Індуктивність для сліду PCB передбачає, що він знаходиться над площиною; точне значення буде змінюватися залежно від відстані до площини (оскільки це впливає на загальний шлях повернення та час подорожі в обидва кінці). Я вважав, що значення вище є гарним (консервативним) відправною точкою для конструкцій друкованих плат. Фактична індуктивність конкретно залежить від загальної відстані поточного шляху для циклу.

Отже, причина ESL? Фізика.