Anpassung von Induktivitäten an kritische HF-Schaltungen

Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen in Anwendungen wie Radar, Magnetresonanztomographie (MRT), Kommunikationssystemen und medizinischer Elektronik erfordern anwendungsspezifische passive Komponenten, die präzise und stabil sind und nur geringe Verluste aufweisen. Diese Anforderungen gelten insbesondere für Induktivitäten, die stabile Induktivitätswerte mit minimalen temperatur- und frequenzbedingten Schwankungen aufweisen müssen. Außerdem müssen sie die Signalintegrität wahren, indem sie Verluste minimieren und Eigenresonanzfrequenzen (SRF) innerhalb der Anwendungsbandbreite vermeiden.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Anforderungen und Eigenschaften von Induktivitäten für HF-Anwendungen. Anschließend werden Keramikkerninduktivitäten mit hohem Q-Faktor von Knowles vorgestellt, mit denen Entwickler die Anforderungen ihrer anspruchsvollsten HF-Anwendungen erfüllen können.

Induktivitäten in HF-Schaltungen

Induktivitäten sind passive, reaktive Bauteile, die Stromänderungen entgegenwirken, indem sie Energie in einem Magnetfeld speichern. Sie bestehen aus einer Drahtspule und sind relativ einfach aufgebaut, aber die Drahtspule führt zu mehreren parasitären Elementen. Das Ersatzschaltbild für eine Induktivität umfasst die Leitungsinduktivität und -kapazität, den Spulenwiderstand und die Kapazität von Windung zu Windung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Ersatzschaltbild eines induktiven Bauteils enthält parasitäre Elemente wie Induktivität, Kapazität und Widerstand. (Bildquelle: Art Pini)

Die Rolle von Induktivitäten in HF-Schaltungen reicht von einfachen Drosseln zur Trennung von AC- und DC-Signalkomponenten bis hin zu fein abgestimmten Komponenten in Speicherschaltungen und Filtern. Sie arbeiten im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich, wo zur Minimierung von Reflexionen und stehenden Wellen Bauteile mit geringen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten erforderlich sind. Bei solchen Anwendungen müssen auch frequenzabhängige Effekte wie der Skineffekt und die Strahlung berücksichtigt werden. HF-Drosseln verarbeiten kleine Signale, bei denen Verluste nicht toleriert werden können, und erfordern einen hohen Qualitätsfaktor (Q) und einen niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Folglich umfassen die Spezifikationen von Induktivitäten nicht nur Induktivität, Toleranz und Leistung, sondern auch mehrere HF-spezifische Anforderungen, vor allem Q, SRF und ESR.

Was ist Q bei Induktivitäten?

Q ist eine Leistungskennzahl, die angibt, wie nahe eine bestimmte Induktivität dem Idealzustand kommt. Bei einer idealen Induktivität besteht die Impedanz ausschließlich aus dem induktiven Blindwiderstand (auch Reaktanz genannt). Der Strom durch die Spule wäre um neunzig Grad phasenverschoben zur angelegten Spannung. Eine echte Induktivität hat parasitäre Elemente, darunter Streuinduktivität, Kapazität und Widerstand (siehe Abbildung 1). Der Widerstand ergibt sich aus dem Serienwiderstand des Drahtleiters, dem Skineffekt, den Kernverlusten und den Strahlungsverlusten. Der Gleichstromwiderstand (DCR) ist die Hauptquelle des Widerstands.

Q ist eine dimensionslose Kennzahl, die dem Verhältnis der induktiven Reaktanz einer Spule zu ihrem Widerstand entspricht, gemäß der Gleichung Q = X_L/R = (2pfL)/R

Dabei gilt:

Q ist der Qualitätsfaktor

X_L ist der induktive Blindwiderstand in Ohm (Ω)

f ist die Frequenz in Hertz (Hz)

L ist die Induktivität in Henry (H)

R ist der ESR (Ω)

Q kann als Maß für den Energieverlust in der Spule im Verhältnis zur gespeicherten Energie betrachtet werden. Je höher der Q-Wert ist, desto geringer ist der Energieverlust und desto optimaler ist die Performance der Induktivität. Q ist aufgrund der induktiven Reaktanz und der resistiven Skineffekte frequenzabhängig (Abbildung 2).

Abbildung 2: Diagramme der Induktivität Q als Funktion der Frequenz zeigen deren Frequenzabhängigkeit. (Bildquelle: Knowles)

Um geringe Verluste zu erzielen, sollte Q maximiert und der Serienwiderstand minimiert werden.

Was ist die Eigenresonanzfrequenz (SRF) einer HF-Induktivität?

Die SRF einer HF-Induktivität ist die Frequenz, bei der die Induktivität in Verbindung mit den parallelen parasitären Kapazitäten einen Parallelschwingkreis bildet. Bei der SRF wird die Impedanz der Spule sehr hoch und verhält sich wie ein offener Stromkreis. Die Drossel wirkt nur bis zur SRF induktiv (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Diagramm zeigt, dass die Induktivität als Funktion der Frequenz bis zur SRF flach ist. (Bildquelle: Knowles)

Die SRF einer Spule ist umgekehrt proportional zu ihrer Induktivität. Höhere Induktivitäten erfordern eine größere Anzahl von Windungen, und die parasitäre Kapazität der Wicklung nimmt proportional zu, was zu einer niedrigeren SRF führt.

Bestimmung des ESR von Induktivitäten

Der ESR einer Induktivität besteht aus zwei Teilen: DCR und frequenzabhängiger Widerstand. Der frequenzabhängige Widerstand ist auf den Skin-Effekt zurückzuführen, bei dem der Strom durch einen Leiter bei hohen Frequenzen nicht gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Leiters verteilt ist, sondern sich eher auf die äußere Oberfläche konzentriert. Die DCR-Komponente ist relativ einfach zu messen und wird in der Regel in den Spezifikationen der Induktivität aufgeführt. Der Skin-Effekt ist frequenzabhängig und wird im Allgemeinen als Teil des in Abbildung 2 dargestellten Q-Plots beschrieben.

Keramikkerninduktivitäten mit hohem Q-Wert für kritische HF-Schaltungen

Um die Anforderungen kritischer HF-Schaltungen für Radar, MRT, Kommunikationssysteme und medizinische Elektronik zu erfüllen, hat Knowles die Serie CL1008 oberflächenmontierbarer keramischer Drahtinduktivitäten mit hohem Gütefaktor entwickelt. Diese äußerst zuverlässigen Induktivitäten sind für den Betrieb über einen breiten Frequenzbereich ausgelegt und bieten eine hohe Signalintegrität durch eine Kombination aus hoher Güte und reduzierten Signalverlusten.

Diese Drosseln bestehen aus einem nichtmagnetischen Keramikkern, der als Basis für die Kupferspule dient (Abbildung 4, oben). Sie sind auch sehr kompakt und messen 0,115" × 0,110" × 0,08" (2,80 mm × 2,60 mm × 2,30 mm) (Abbildung 4, unten).

Abbildung 4: Die HF-Induktivitäten der Serie CL1008 mit hohem Q-Wert verwenden einen nichtmagnetischen Keramikkern (oben) und messen 0,115" × 0,110" × 0,08" (unten). (Bildquelle: Knowles)

Der Keramikkern stützt die Wicklung, ohne dass Leistungsverluste entstehen. Dies ermöglicht eine Bauelementestruktur, die mit oberflächenmontierbaren Verfahren kompatibel ist, was bei einer Luftkernspule schwierig wäre.

Die Spule ist an den unteren Anschlüssen aus Sintersilber mit einer verzinnten Kupferbarriere befestigt. Die Oberseite der Induktivität weist eine glatte Oberfläche auf, so dass sie für Bestückungsverfahren geeignet ist.

Wie bei jedem induktiven Element ist die Induktivität proportional zur Anzahl der Windungen der Spule. Diese Serie von Induktivitäten ist mit Induktivitäten von 12 nH bis 10 mH und Nennströmen von 140 mA bis 1000 mA bei +85°C und von 70 mA bis 1000 mA bei +125°C erhältlich. Ihr Betriebstemperaturbereich liegt bei -55°C bis +125°C, und sie sind RoHS-konform und halogenfrei.

Für die Herstellung von keramischen Induktivitäten gibt es zwar verschiedene Fertigungstechnologien, darunter drahtgewickelte, Folien- und Mehrschichtausführungen, aber die drahtgewickelte Keramikkerninduktivität hat einige Vorteile. Erstens ist die Wicklung nicht auf ein geschlossenes Gehäuse beschränkt. Dadurch sind mehr Drahtwindungen möglich, was zu einer größeren Bandbreite an erreichbaren Induktivitätswerten führt. Außerdem wird der Leiterquerschnitt nicht durch das Druckverfahren eingeschränkt, das bei Folien- und Mehrschichtmaterialien verwendet wird; daher können dickere Drähte verwendet werden, was die Stromstärke erhöht und den Widerstand verringert. Der geringere Widerstand führt zu einem höheren Q-Wert.

HF-Anwendungen für Keramikkerninduktivitäten

Eine typische Anwendung von HF-Induktivitäten sind Oszillatoren, wie der in Abbildung 5 gezeigte Colpitts-Oszillator.

Abbildung 5: Dieser Colpitts-Oszillator verwendet zwei HF-Induktivitäten, eine als Abstimmkomponente (L1) und die andere als Drossel (L2). (Bildquelle: Art Pini)

Alle Oszillatoren verwenden eine positive Rückkopplung, um eine Schwingung zu erreichen. In diesem Beispiel eines Colpitts-Oszillators erfolgt die Rückkopplung vom Kollektor zur Basis von Q1 über C3 von einem abgestimmten Speicherkreis, der aus C1, C2 und L1 besteht. Sie bilden ein pi-Netzwerk, das bei der durch L1 und die Reihenschaltung von C1 und C2 bestimmten Frequenz in Resonanz tritt. L1 sollte einen hohen Q-Wert haben, um Verluste zu minimieren und die Frequenzstabilität zu erhöhen.

Die Induktivität L2 ist eine HF-Drossel. Sie lässt Gleichstrom passieren, verhindert aber, dass das Ausgangssignal in die Stromquelle gelangt. L2 muss einen niedrigen DCR-Wert aufweisen, um Spannungsverluste zu begrenzen, und einen ausreichenden Stromwert haben, um den Oszillator zu versorgen. Die SRF einer als Drossel verwendeten Induktivität sollte viel höher sein als die Frequenz des Ausgangssignals, um sicherzustellen, dass sie sich im gesamten interessierenden Band induktiv verhält.

Induktivitäts-Kapazitäts-Filter (LC) sind eine weitere häufige HF-Anwendung für Induktivitäten. Filter werden in der Regel in Reihe zwischen HF-Stufen eingesetzt, um den Durchlassbereich des übertragenen Signals zu formen und die Energie außerhalb des Bandes (OOB) zu begrenzen, einschließlich Oberwellen und elektromagnetischer Störungen (EMI). Bei HF-Frequenzen lassen sich Filter leicht mit LC-Designs realisieren, da die erforderliche Induktivität und Kapazität relativ klein sind, was kompakte Formfaktoren ermöglicht. Filter werden nach ihren frequenzbegrenzenden Eigenschaften als Tiefpass, Hochpass, Bandpass (Abbildung 6) oder Bandstopp klassifiziert.

Abbildung 6: Ein Butterworth-LC-Bandpassfilter fünfter Ordnung verwendet fünf Induktivitäten (L1 bis L5). (Bildquelle: Art Pini)

Dieser Filter weist eine Butterworth-Konfiguration fünfter Ordnung auf, d. h. er verwendet fünf LC-Sektionen, um den Bandpass-Frequenzgang zu realisieren. Zu den Faktoren, die sich auf die Auswahl von Induktivitäten auswirken, gehören die Induktivität und Toleranz der Komponente, SRF, Q und DCR.

Die SRF der verwendeten Drosseln muss mindestens zehnmal höher sein als das Frequenzband des Filters, um ein vorhersehbares Verhalten der Drossel zu gewährleisten. Der Q-Wert sollte so hoch wie möglich sein, um die Filtergenauigkeit zu gewährleisten. Ein niedriger DCR-Wert ist erwünscht, um den Leistungsverlust und die interne Erwärmung zu minimieren.

Der Induktivitätswert und die Toleranz der Spule wirken sich auf den Frequenzgang des Filters aus, einschließlich der Eckfrequenzbereiche, und werden während des Filterentwurfs ausgewählt.

Beispiele für Keramikkerndrosseln mit hohem Gütegrad

Die Keramikkerninduktivitäten der Serie CL1008 von Knowles mit hohem Q-Wert sind für die Optimierung der Signalintegrität und Effizienz über einen breiten Bereich von HF- und Mikrowellenfrequenzen ausgelegt. Die CL1008-2124JQL1T-1 zum Beispiel ist eine Keramikkerninduktivität mit 120 nH ±5%, einem Q-Faktor von 60 bei 350 Megahertz (MHz) und einer SRF von 900 MHz. Ihr DCR-Wert beträgt 0,63 Ω, und sie ist für 300 mA bei 125°C und 600 mA bei 85°C ausgelegt.

Zu den niedrigeren Induktivitäten, die mit höheren Frequenzen kompatibel sind, gehört die CL1008-2123JQL1T-1, eine Induktivität mit 12 nH ±5%, einem Q-Faktor von 50 bei 500 MHz und einer SRF von 3300 MHz. Die geringere Induktivität erfordert weniger Windungen und hat einen geringeren Widerstand, nämlich 0,09 Ω in diesem Fall, was zu einem maximalen Nennstrom von 1000 mA bei +125°C führt.

Wenn man die CL1008-2823JQL1T-1 untersucht und ihre Spezifikationen mit denen der anderen Induktivitäten vergleicht, wird deutlich, dass es eine klare Beziehung zwischen Induktivität, SRF, Q und DCR gibt. Die CL1008-2823JQL1T-1 ist eine Induktivität mit 82 nH ±5%, einem Q-Faktor von 60 bei 350 MHz und einer SRF von 1200 MHz. Ihr DCR beträgt 0,22 Ω, der maximale Strom 370 mA bei 125°C und 730 mA bei 85°C.

Die CL1008-2474JQL1T-1 schließlich ist eine Keramikkerninduktivität mit 470 nH ±5%, einem Q-Faktor von 45 bei 100 MHz und einer SRF von 450 MHz. Ihr DCR beträgt 1,17 Ω, und ihre maximalen Stromwerte liegen bei 240 mA bei 125°C und 470 mA bei 85°C.

Es ist einfacher, das Verhältnis der Q-Werte zwischen verschiedenen Induktivitäten zu vergleichen, wenn man auf Abbildung 2 zurückgreift. Beachten Sie, dass der Spitzenwert von Q mit zunehmender Induktivität abnimmt.

Fazit

Die Keramikkerninduktivitäten von Knowles bieten HF-Schaltungsentwicklern stabile Induktivitätswerte, einen hohen Q-Wert und einen niedrigen ESR-Wert für kritische HF-Anwendungen, die eine hervorragende Signalintegrität, minimale Leistungsverluste und eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.