eng
Выпуск #10/2021
И. Белков, Ю. Еремеев, И. Малышев
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ ЧИП-ИНДУКТИВНОСТИ ТИПОВ КИК, КИК1 И КИФ: ПАРАМЕТРЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ПРОВОЛОЧНЫЕ ЧИП-ИНДУКТИВНОСТИ ТИПОВ КИК, КИК1 И КИФ: ПАРАМЕТРЫ И ПРИМЕНЕНИЕ
Просмотры: 1001
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.211.10.106.111
АО «НПО «ЭРКОН» — известный российский разработчик и производитель пассивных электронных компонентов. В статье описаны ключевые параметры проволочных ВЧ- и СВЧ-чип-индуктивностей производства компании, их типовые области применения, представлены примеры моделирования в САПР с использованием предоставляемых моделей чип-индуктивностей.
АО «НПО «ЭРКОН» — известный российский разработчик и производитель пассивных электронных компонентов. В статье описаны ключевые параметры проволочных ВЧ- и СВЧ-чип-индуктивностей производства компании, их типовые области применения, представлены примеры моделирования в САПР с использованием предоставляемых моделей чип-индуктивностей.
Теги: cad-models microwave components wirewound chip inductance модели для сапр проволочная чип-индуктивность свч-компоненты
Высокочастотные и сверхвысокочастотные проволочные чип-индуктивности типов КИК, КИК1 и КИФ: параметры и применение
И. Белков, к. т. н., Ю. Еремеев , И. Малышев, к. т. н.
АО «НПО «ЭРКОН» – известный российский разработчик и производитель пассивных электронных компонентов. В статье описаны ключевые параметры проволочных ВЧ и СВЧ чип-индуктивностей производства компании, типовые области и устройства применения, представлены примеры моделирования в САПР с использованием предоставляемых моделей чип-индуктивностей.
АО «НПО «ЭРКОН» производит широкий размерный ряд высокочастотных и сверхвысокочастотных проволочных чип-индуктивностей с горизонтальной обмоткой – это катушки индуктивности типа КИК и КИК1 с немагнитным керамическим сердечником на основе алюмооксидной керамики и типа КИФ с магнитным сердечником на основе феррита. Поверхность чип-индуктивности покрыта полимерным материалом, который защищает и фиксирует обмотку, что обеспечивает высокую эксплуатационную стабильность параметров (рис. 1).
Поскольку сама катушка сформирована из более толстого провода, чем аналогичные проводниковые структуры в случае многослойных (LTCC) и пленочных индуктивностей, здесь достигаются следующие преимущества:
Чип-индуктивности выпускают пяти типоразмеров (табл. 1, рис. 2).
К основным электрическим параметрам чип-индуктивностей, характеризующим их функциональность, относят номинальную индуктивность, добротность, собственную резонансную частоту, сопротивление обмотки постоянному току и допустимый ток обмотки [1]. Эти параметры определяются конструктивными данными чип-индуктивности: габаритами и формой сердечника, диаметром обмоточного провода, количеством витков и их взаимным расположением.
На рис. 3 показаны диапазоны номинальной индуктивности для чип-компонентов разных типоразмеров. Наиболее широким диапазоном обладают индуктивности типоразмера 0805.
Индуктивные компоненты в электрической цепи снижают скорость изменения тока импульсных всплесков, временно сохраняя энергию в магнитном поле и возвращая ее затем в цепь. Они в основном используются в электрических и электронных устройствах для следующих целей:
На рис. 4 показан пример схемы с моделью транзистора, согласованного по шуму с помощью индуктивностей.
Еще один важный параметр – добротность (Q). Это диссипативная характеристика индуктивности, равная отношению индуктивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению на данной частоте. Катушки с высокой добротностью пригодны для использования в узкополосных схемах. Проволочные чип-индуктивности стандартных миниатюрных типоразмеров от 0402 до 1206 отличаются высокой добротностью Q (рис. 5). Благодаря этой особенности они лучше аналогичных монолитных конструкций подходят для высокочастотных применений.
На рис. 6 наглядно показано влияние добротности чип-индуктивности на примере частотной зависимости коэффициента передачи идентичных полосовых фильтров. Величина потерь в полосе пропускания зависит лишь от добротности: чем выше добротность, тем меньше вносимое затухание.
Рабочий диапазон частот чип-индуктивностей определяют частотой собственного резонанса (SRF). Это частота резонанса параллельного электрического контура, образованного индуктивностью катушки и паразитной распределенной межвитковой емкостью. На частоте резонанса импеданс катушки стремится к минимуму – активному сопротивлению катушки на данной частоте, равному сумме сопротивлений постоянному (R) и переменному (R~) токам. С повышением частоты следует учитывать дополнительные паразитные активные и реактивные параметры – выше частоты резонанса импеданс катушки приобретает емкостный или более сложный характер, и эквивалентная схема замещения заметно усложняется. Эффективный рабочий диапазон частот определяют в каждом случае индивидуально, но существует общее эмпирическое правило, ограничивающее предельную частоту применения значением, которое в 10 раз ниже резонансной частоты [1].
Используя при изготовлении чип-индуктивностей определенные правила и приемы намотки, резонансную частоту можно увеличить. На рис. 7 показаны измеренные характеристики индуктивности типоразмера 0603 с номинальным значением индуктивности 9,5 нГн без оптимизации конструкции по резонансной частоте и с оптимизацией, позволяющей значительно расширить рабочий диапазон частот.
На постоянном токе чип-индуктивность характеризуют максимальным сопротивлением обмотки постоянному току R, обусловливающим потерю мощности, и максимальным допустимым током обмотки (Iдоп). Перегрев катушки относительно окружающей среды определяется протекающим через нее током. В общем случае при прочих равных условиях с повышением номинального значения индуктивности сопротивление увеличивается за счет большего количества витков и уменьшения диаметра провода обмотки. Допустимый ток при этом понижается, так как в активном сопротивлении выделяется тепловая мощность.
Следует отметить, что индуктивность и добротность являются частотнозависимыми характеристиками. Для идентификации и оценки параметров чип-индуктивностей производителям приходится указывать номинальные значения на конкретной частоте.
Однако индуктивность или добротность катушки на рабочей частоте может значительно отличаться от нормируемого параметра [2]. На рис. 8 приведены частотные зависимости индуктивности и добротности для индуктивностей КИК и КИФ типоразмера 0805 и номинальной индуктивностью 110 нГн. Пунктирными линиями обозначены частотные точки контроля параметров. Таким образом, чип-индуктивности КИК и КИК1 целесообразнее использовать в более высоком диапазоне частот, а КИФ – в более низком.
АО «НПО «ЭРКОН» разрабатывает и размещает на официальном сайте электронные модели выпускаемых изделий для различных САПР. В том числе модели чип-индуктивностей, которые построены на базе знаний о конструкции и измеренных данных и содержат необходимую информацию для оценки параметров в рабочем диапазоне частот [3].
В качестве примера использования моделей на рис. 9 и 10 представлены схемы одного и того же фильтра нижних частот. В первом случае использованы идеальные элементы, а во втором – модели чип-индуктивностей КИК 0805 и топологические неоднородности печатной платы. На рис. 11 сопоставлены частотные характеристики идеального фильтра с характеристиками того же фильтра при замене идеальных элементов моделями чип-индуктивностей КИК 0805, а также показана характеристика с учетом влияния топологических неоднородностей. Если первые две характеристики достаточно схожи, то уточненная третья, полученная с учетом моделей, учитывающих топологические неоднородности, отличается от первых и на практике использование данных моделей при проектировании может упростить процесс регулировки.
Заключение
Подбор компонентов при разработке аппаратуры на первой стадии требует начальных представлений о характеристиках, их взаимосвязи и влиянии на параметры устройств. Затем необходимы электронные модели компонентов для моделирования характеристик устройств в САПР. АО «НПО «ЭРКОН» предлагает широкую номенклатуру проволочных чип-индуктивностей и соответствующих электронных моделей. С номенклатурой чип-индуктивностей и других изделий компании, а также электронных моделей к ним можно ознакомиться на официальном сайте www.erkon-nn.ru.
ЛИТЕРАТУРА
CoilCraft. Key Parameters for Selecting RF Inductors.
https://www.coilcraft.com/getmedia/42895920-090c‑47c1‑b3d0-03b0cd30d429/doc671_selecting_rf_inductors.pdf (дата обращения: 18.10.2021).
Гуров Е. В., Увайсов С. У., Увайсова А. С., Увайсова С. С. Номинальные и эффективные значения параметров катушек индуктивности и конденсаторов на высоких частотах – Текст электронный // Russian Technological Journal. 2019; 7(4): 44–53.
https://doi.org/10.32362/2500-316X‑2019-7-4-44-53
(дата обращения: 18.10.2021)
ЭРКОН. Чип-индуктивности. https://www.erkon-nn.ru/catalog/chip-induktivnosti/ (дата обращения: 18.10.2021)
И. Белков, к. т. н., Ю. Еремеев , И. Малышев, к. т. н.
АО «НПО «ЭРКОН» – известный российский разработчик и производитель пассивных электронных компонентов. В статье описаны ключевые параметры проволочных ВЧ и СВЧ чип-индуктивностей производства компании, типовые области и устройства применения, представлены примеры моделирования в САПР с использованием предоставляемых моделей чип-индуктивностей.
АО «НПО «ЭРКОН» производит широкий размерный ряд высокочастотных и сверхвысокочастотных проволочных чип-индуктивностей с горизонтальной обмоткой – это катушки индуктивности типа КИК и КИК1 с немагнитным керамическим сердечником на основе алюмооксидной керамики и типа КИФ с магнитным сердечником на основе феррита. Поверхность чип-индуктивности покрыта полимерным материалом, который защищает и фиксирует обмотку, что обеспечивает высокую эксплуатационную стабильность параметров (рис. 1).
Поскольку сама катушка сформирована из более толстого провода, чем аналогичные проводниковые структуры в случае многослойных (LTCC) и пленочных индуктивностей, здесь достигаются следующие преимущества:
- низкое сопротивление постоянному току;
- высокое значение добротности;
- большее значение допустимого тока обмотки.
Чип-индуктивности выпускают пяти типоразмеров (табл. 1, рис. 2).
К основным электрическим параметрам чип-индуктивностей, характеризующим их функциональность, относят номинальную индуктивность, добротность, собственную резонансную частоту, сопротивление обмотки постоянному току и допустимый ток обмотки [1]. Эти параметры определяются конструктивными данными чип-индуктивности: габаритами и формой сердечника, диаметром обмоточного провода, количеством витков и их взаимным расположением.
На рис. 3 показаны диапазоны номинальной индуктивности для чип-компонентов разных типоразмеров. Наиболее широким диапазоном обладают индуктивности типоразмера 0805.
Индуктивные компоненты в электрической цепи снижают скорость изменения тока импульсных всплесков, временно сохраняя энергию в магнитном поле и возвращая ее затем в цепь. Они в основном используются в электрических и электронных устройствах для следующих целей:
- подавление, блокировка, ослабление или фильтрация высокочастотных шумов;
- хранение и передача энергии в преобразователях мощности (DC-DC или AC-DC);
- LC-цепи генераторов и фильтров;
- согласование ВЧ-устройств;
- цепи подачи питания постоянного тока на ВЧ- и СВЧ-устройства.
На рис. 4 показан пример схемы с моделью транзистора, согласованного по шуму с помощью индуктивностей.
Еще один важный параметр – добротность (Q). Это диссипативная характеристика индуктивности, равная отношению индуктивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению на данной частоте. Катушки с высокой добротностью пригодны для использования в узкополосных схемах. Проволочные чип-индуктивности стандартных миниатюрных типоразмеров от 0402 до 1206 отличаются высокой добротностью Q (рис. 5). Благодаря этой особенности они лучше аналогичных монолитных конструкций подходят для высокочастотных применений.
На рис. 6 наглядно показано влияние добротности чип-индуктивности на примере частотной зависимости коэффициента передачи идентичных полосовых фильтров. Величина потерь в полосе пропускания зависит лишь от добротности: чем выше добротность, тем меньше вносимое затухание.
Рабочий диапазон частот чип-индуктивностей определяют частотой собственного резонанса (SRF). Это частота резонанса параллельного электрического контура, образованного индуктивностью катушки и паразитной распределенной межвитковой емкостью. На частоте резонанса импеданс катушки стремится к минимуму – активному сопротивлению катушки на данной частоте, равному сумме сопротивлений постоянному (R) и переменному (R~) токам. С повышением частоты следует учитывать дополнительные паразитные активные и реактивные параметры – выше частоты резонанса импеданс катушки приобретает емкостный или более сложный характер, и эквивалентная схема замещения заметно усложняется. Эффективный рабочий диапазон частот определяют в каждом случае индивидуально, но существует общее эмпирическое правило, ограничивающее предельную частоту применения значением, которое в 10 раз ниже резонансной частоты [1].
Используя при изготовлении чип-индуктивностей определенные правила и приемы намотки, резонансную частоту можно увеличить. На рис. 7 показаны измеренные характеристики индуктивности типоразмера 0603 с номинальным значением индуктивности 9,5 нГн без оптимизации конструкции по резонансной частоте и с оптимизацией, позволяющей значительно расширить рабочий диапазон частот.
На постоянном токе чип-индуктивность характеризуют максимальным сопротивлением обмотки постоянному току R, обусловливающим потерю мощности, и максимальным допустимым током обмотки (Iдоп). Перегрев катушки относительно окружающей среды определяется протекающим через нее током. В общем случае при прочих равных условиях с повышением номинального значения индуктивности сопротивление увеличивается за счет большего количества витков и уменьшения диаметра провода обмотки. Допустимый ток при этом понижается, так как в активном сопротивлении выделяется тепловая мощность.
Следует отметить, что индуктивность и добротность являются частотнозависимыми характеристиками. Для идентификации и оценки параметров чип-индуктивностей производителям приходится указывать номинальные значения на конкретной частоте.
Однако индуктивность или добротность катушки на рабочей частоте может значительно отличаться от нормируемого параметра [2]. На рис. 8 приведены частотные зависимости индуктивности и добротности для индуктивностей КИК и КИФ типоразмера 0805 и номинальной индуктивностью 110 нГн. Пунктирными линиями обозначены частотные точки контроля параметров. Таким образом, чип-индуктивности КИК и КИК1 целесообразнее использовать в более высоком диапазоне частот, а КИФ – в более низком.
АО «НПО «ЭРКОН» разрабатывает и размещает на официальном сайте электронные модели выпускаемых изделий для различных САПР. В том числе модели чип-индуктивностей, которые построены на базе знаний о конструкции и измеренных данных и содержат необходимую информацию для оценки параметров в рабочем диапазоне частот [3].
В качестве примера использования моделей на рис. 9 и 10 представлены схемы одного и того же фильтра нижних частот. В первом случае использованы идеальные элементы, а во втором – модели чип-индуктивностей КИК 0805 и топологические неоднородности печатной платы. На рис. 11 сопоставлены частотные характеристики идеального фильтра с характеристиками того же фильтра при замене идеальных элементов моделями чип-индуктивностей КИК 0805, а также показана характеристика с учетом влияния топологических неоднородностей. Если первые две характеристики достаточно схожи, то уточненная третья, полученная с учетом моделей, учитывающих топологические неоднородности, отличается от первых и на практике использование данных моделей при проектировании может упростить процесс регулировки.
Заключение
Подбор компонентов при разработке аппаратуры на первой стадии требует начальных представлений о характеристиках, их взаимосвязи и влиянии на параметры устройств. Затем необходимы электронные модели компонентов для моделирования характеристик устройств в САПР. АО «НПО «ЭРКОН» предлагает широкую номенклатуру проволочных чип-индуктивностей и соответствующих электронных моделей. С номенклатурой чип-индуктивностей и других изделий компании, а также электронных моделей к ним можно ознакомиться на официальном сайте www.erkon-nn.ru.
ЛИТЕРАТУРА
CoilCraft. Key Parameters for Selecting RF Inductors.
https://www.coilcraft.com/getmedia/42895920-090c‑47c1‑b3d0-03b0cd30d429/doc671_selecting_rf_inductors.pdf (дата обращения: 18.10.2021).
Гуров Е. В., Увайсов С. У., Увайсова А. С., Увайсова С. С. Номинальные и эффективные значения параметров катушек индуктивности и конденсаторов на высоких частотах – Текст электронный // Russian Technological Journal. 2019; 7(4): 44–53.
https://doi.org/10.32362/2500-316X‑2019-7-4-44-53
(дата обращения: 18.10.2021)
ЭРКОН. Чип-индуктивности. https://www.erkon-nn.ru/catalog/chip-induktivnosti/ (дата обращения: 18.10.2021)
Отзывы читателей
