電気電子設計 / RF / 高周波コンデンサ

電気電子設計/RF 電気電子設計

高周波コンデンサ †

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1.結合アプリケーション

1.結合アプリケーション †

March 2004
Considerations for Optimal Capacitive Coupling
by Richard Fiore, Director of RF Applications Engineering, American Technical Ceramics Corp. 
Capacitors used in coupling and DC blocking applications serve to couple RF energy from one part of a circuit to another and are implemented as series elements. 
Proper   　
selection of coupling capacitors insures the maximum transfer of RF energy.
All capacitors will block DC by definition;however, considerations for satisfying the requirements of a coupling application depend on various frequency-dependent parameters   
that must be taken into account beforehand.
キャパシターはACカップリングされるアプリケーションでRFエネルギーをある回路から他の回路へ結合させるために用いられます。
またその時は直列に実装されます。
全てのキャパシターはDCをブロックする性質があります。
しかし、結合アプリケーションでは要求仕様を満足させるためには周波数パラメーター（AC特性）を予め考慮することが不可欠です。

・ Figure 1 Interstage　Coupling　Block Diagram

Figure 1 illustrates two RF amplifier stages operating in a 50-ohm net-work interconnected by coupling capacitor C0. 
Table 1 outlines several device options for achieving inter-stage coupling at various wireless fre-quencies. Electrical parameters such as the series resonant frequency
(FSR), parallel resonant frequency(FPR), net impedance, insertion loss,equivalent series resistance (ESR) and Q must be evaluated in order to achieve an optimal coupling 
 solution. 
絵図1は、2つのアンプ回路段を結合キャパシターCoによって50ohmネットワーク接続で動作させているものです。
表1（Table1）は様々なワイヤレス周波数における中段結合に貢献するデバイス群を示したものです。
直列共振周波数、並列共振周波数、ネットインピーダンス(デバイス内の物理構造的に起因し、使用状況に応じて実質的に発生するインピーダンス)、
挿入損失、等価直列抵抗 、そしてQ（クォリティファクタ）のような電気的パラメーターは　最適結合ソリューションに貢献するために、よく評価されなければなりません。

Note: Coupling capacitor C0 in Figure 1 is represented with its equivalent series resistance (ESR) denoted as RS, equivalent series inductance(ESL) denoted as LS and parasitic 
parallel capacitance CP, associated with the parallel resonant frequency
(FPR).
絵図1の中にある、結合キャパシタCOはRsとして表される等価直列抵抗、Lsとして表される等価直列インダクタンスを持ちます。
そしてCpは、並列寄生容量で、並列共振周波数に寄与するものです。

A capacitor’s series resonant fre-quency (FSR) also referred to as self-resonance, occurs at 

At this frequency the capacitor’s net reactance is zero and the impedance is equal to the ESR. 
As shown in Table1, an ATC100A101, (100 pF) porce-lain capacitor has an FSR of 1GHz with a corresponding ESR of 0.072ohms. 
At this frequency the capacitor will provide its lowest impedance path making it an ideal coupling element. 
キャパシターの直列共振周波数Fsrは同様に自己共振として参照される下式で発生します。
この周波数でキャパシターのインピーダンスは、実質的(net)にゼロで、インピーダンスは等価直列抵抗に等しくなります。
表1に示した通り、ATC100A101 100pF のセラミック(porcelain)キャパシターは
共振周波数は1GHzでこのときESR 0.072ohm　です。
この周波数でキャパシターはもっともインピーダンスが低く、最適な結合素子として機能します。

In contrast the impedance of a capacitor at its parallel resonant fre-quency (FPR) can be precipitously high.
By assessing the magnitude of S21 vs. frequency for a given capacitor, extreme losses associated with FPR at the frequency of interest can be readily observed. 
In coupling applications a capacitor’s FSR can usually be exceeded to some extent without posing a problem as long as the net impedance remains low.
対照的に、並列共振周波数でのキャパシターのインピーダンスはとても(precipitously)高いです。
与えられたキャパシターの周波数とS21の大きさを評価することによって、着目している並列共振周波数と関連付けられる過大な損失はすぐに観測できます。
結合アプリケーションでは、キャパシターのFsr直列共振周波数は、実質的なインピーダンスが低く抑制されている限り、問題を引き起こす(posing a problem)ことなしに、
一定の範囲を超過されることもあり得ます。

Net Impedance
The magnitude of a capacitor’s impedance is equal to

As seen by this relationship a capacitor’s impedance is significantly influenced by its net reactance (XC-XL).
 It is important to know the magnitude of the impedance throughout the desired passband. 
キャパシターのインピーダンスは下式に等しくなります。
この関係式に示される通り、キャパシターのインピーダンスは、実質的な(インピーダンスXC-XLに大きく影響されます。
所望の通過域を通して、インピーダンスの大きさを知っておくことは重要です。

A properly selected coupling capacitor will exhibit suitably low impedance at these frequencies.
As seen in Figure 2 the net impedance below FSR is capacitive and is dominated by 
1/ωC yielding a hyperbolic relationship for frequencies less than FSR. 
Conversely, the net impedance above FSR is inductive and is dominated by ωL yielding a linear relationship for frequencies greater than FSR.
適切に選定された結合キャパシタは、通過域を通して適切に低いインピーダンスを示します。絵図2に示される通り、実質的インピーダンスは、Fsrより下の周波数帯では、周波数に 
対し、1/ωcカーブの双曲線的関係が支配的です。
それとは対照的に、Fsrより上の周波数帯では、インダクティブで周波数に対し、1/ωLカーブのリニア的関係が支配的です。

Insertion Loss (S21) 
One of the fundamental considerations for all coupling applications is the capacitor’s insertion loss at the operating frequency. By evaluating the magnitude of S21 the designer can
 readily determine whether or not the subject capacitor is suitable. It is especially important to look for the presence of one or more parallel resonances falling within the operating   
passband.
These resonances will generally show up as distinct attenuation notches at their frequencies of occurrence. If a parallel resonance does fall within the operating passband it will be  
necessary to evaluate its depth in order to determine whether or not the loss is acceptable.
全ての結合アプリケーションに対し、基本的な検討事項の一つとして、動作周波数における挿入損失s21です。
設計者はs21の大きさを評価することによって、すぐに従属するキャパシター（実装したキャパシターを含む回路に存在するキャパシターという意味で”the subject”と推定）
が適しているかどうかを調べることができます。
動作通過帯域内にひとつ、もしくは複数の並列共振点が存在するかどう探すことは特に重要です。
それらの共振点は、一般的にはっきり異なる(distinct)減衰ノッチ(attenuation notches)として現象に現れます。
それらが動作通過帯域にて観測された場合は、それらの損失が許容でるかどうかを調べるために、その深度（depth 損失の大きさ）を評価することが必要です。

 In many instances the magnitude of S21 for a given capacitor may be excessive,
rendering it unusable for the application.
 An insertion loss of several tenths of a dB is generally an acceptable criterion for most coupling applications.
1dBの数10分の一の挿入損失は、一般的に多くの結合アプリケーションでは許容できる水準です。

Losses that exceed several tenths of a dB within the passband could easily compromise   the end performance of a circuit design. 
Therefore the decision is　ultimately left up to the discretion of the designer to determine whether or not these losses are acceptable for a particular design requirement.
1dBの数10分の1を上回る挿入損失は、最終的な回路設計のパフォーマンスを妥協することによって容易に解決できるでしょう。
それゆえある特定の設計要求に対しこれらの損失が許容できるかどうかは、最終的に設計者の裁量（discretion）によって委ねられる(left up to ~)ことでしょう。

Figure 3　illustrates the insertion loss characteristic of an ATC100A101(100pF) capacitor. The sample was measured in a series through configuration from 50 MHz to 4 GHz with 
the capacitor’s electrodes parallel to the substrate, i.e. flat mount orientation. As seen in Figure 3 the capacitor’s insertion loss is less than 0.1 dB between 200 MHzto 1.5 GHz. 
絵図3は、ATC100A101(100pF)の挿入損失特性を示すものです。
このサンプルは、基板上に平行に電極が向くように配置され、50Mhz~4GHzの間を通して直列に測定されたものです。
（i.e.(すなわち)フラットマウント：横置き　下図左参照）

By edge mounting the capacitor, i.e. electrodes perpendicular to the substrate, the first parallel resonant notch at 1.6 GHz will be suppressed. As a result the usable frequency 
range will be extended to approximately 2.4 GHz. 
In this orientation the same capacitor can be used to extend frequency coverage making it suitable for broadband coupling applications.
キャパシターのエッジマウンティング(上図の縦置き)、すなわち基板と垂直(perpendicular)配置では、一番目の1.6GHzでの並列共振周波数によるノッチは抑制されます。
結果として、使用可能な帯域は、約2.4GHzまで拡張されます。
この方向転換によって同様のキャパシターは、広帯域の結合アプリケーションに適した帯域をカバーできるくらいまで拡張することができます。

ESR and Q
ESR is the summation of all series losses in a　capacitor and is typically expressed as milli-ohms. ESR losses are comprised of both dielectric loss(RSD), and metal loss (RSM). 
ESR =RSD+ RSM. 
Dielectric loss (RSD) is determined by the specific characteristics of the dielectric material.
ESRは、すべての直列損失の合計(sum-mation)です。
典型的には、mΩオーダーで表現されます。
ESR損失は、誘電損失と金属損失から成ります。(be comprised of ~)
誘電損失は、誘電体の特性から調べられます。

Each dielectric material has an associated loss factor most commonly referred to as the loss tangent or dissipation factor(DF).
各々の誘電体は、誘電正接(loss tangent or dissipation factor(DF))として一般的に知られる損失要因を持ちます。

The dissipation factor(DF) provides a good indication of dielectric loss, and is typically characterized at lowfrequencises i.e.1MHz  where this loss factor is predominant.
Metal loss(RSM) is determined by the specific conductive properties of all metallic materials in the capacitor’s　construction.
This includes electrodes,terminations plus any other metals such as barrier layers etc. 
The effect of RSM will also cause heating of the capacitor. 
IN extreme cases thermal breakdown may lead to catastrophic failure.
These losses encompass ‘skin effect’at higher frequencies and follow a √f relationship.
DF（disspation factor）は、誘電損失のすぐれた指標です。
またそれは、低い周波数帯すなわち1MHz位で、典型的に用いられます。
それらの領域では、比較的優勢です。
RSM(金属損失)は、キャパシターの構造内で用いられるすべての金属材料の導電特性によって調べられます。
これは、電極、電極接合部、他の金属例えば絶縁層のようなものを含みます。
RSMの影響は、キャパシターの発熱の原因と成り得ます。
極端な例として、熱崩壊は破滅的な機能不全を導くかもしれません。
これらの損失は高い周波数帯での表皮効果をもたらします。(emcompass)
それは√f(square root f)の関係にあります。

Catalog ESR curves typically denote ESR values for frequencies where the losses are predominantly due to the metal. 
At these frequencies the dielectric losses are negligible and do not significantly influence the overall ESR.
A capacitor’s quality factor (Q) is numerically equal to the ratio of its net reactance 
(XC- XL) to its equivalent series resistance
カタログのESRカーブは、典型的な周波数帯におけるESRの値を指し示しています。
損失は、金属要因が支配的です。
これらの周波数帯で、誘電損失は、無視(negligible)してよく、全体のESRの値に重大影響を与えたりはしません。
キャパシタのクォリテイファクタ(Q)は、数字上は、実質リアクタンス(XC- XL)に等しくなります。

From this expression it can be seen　that the capacitor’s Q varies inversely to its ESR and directly with the net reactance.A capacitor’s ESR should be known at all frequencies   
within the passband especially at frequencies above the capacitor’s FSR.At the frequency where ‘skin effect’ has started to effect ohmic losses, the ESR willincrease as the √f, for  
increasing frequencies.
This becomes the dominant loss factor.
このような表現から、Q値は、実質リアクタンスにリニアに対応し、ESRに反比例するように変化すると見て取れます。キャパシターのESRは、通過帯域で特に、FSRより上の領域  
全ての周波数において知っておくべき物理量です。
オーミックな損失の元となる表皮効果が始まる周波数では、ESRは、√fに比例して増加します。
これは支配的な損失要因となり得ます。

As previously mentioned an attenuation notch will occur at the capacitor’s FPR, the depth of which is inversely proportional to the ESR.
Therefore the capacitor’s ESR will largely determine the depth of the attenuation notch at the parallel reso-nant frequency. 
前述したように減衰ノッチは、キャパシターのFPRによっておこり、その深度は、ESRに反比例します。それゆえキャパシターのESRは、FPRの減衰ノッチの深度を調べるのに利用 できます。

 Conclusion
In conclusion, this article has outlined the importance of frequency dependent characteristics of capacitors in coupling applications. Designing for these applications requires   
knowledge of a capacitor’s series and parallel res-onant frequencies, its ESR, as well as its impedance characteristics within the frequency range of interest.
結論
結論として、この記事は、結合アプリケーションにおける周波数依存特性の大枠を記述したものです。
これらのアプリケーション設計には、キャパシターの並列共振周波数とESR、使用する周波数帯域でのインピーダンスの知識が要求されます。

Premium suppliers such as ATC provide detailed technical information,which includes S-Parameter files and design software. 
This affords the designer the flexibility to select various options to meet the most stringent performance requirements.
プレミアムサプライヤーのATCでは、Sパラメーターファイルやデザインソフトウェアを含む詳細の技術情報を提供します。
これは、設計者に厳しいパフォーマンスに合わせるために様々なオプションと柔軟性を提供するものです。