自谐振频率和高频电容器的选择

随着更多应用程序以更高的频率运行，并且数字设备设置为以更高的边缘速率运行，系统的各个部分可能无法以理想的方式运行。用于确保电源完整性的电容器以及用于由分立组件构成的各种电路中的电容器在特定频率范围内均不能充当实际电容器。考虑到这一点，您需要为高速/高频应用选择合适的电容器。

什么构成高频电容器？

选择电容器的整个目标是确保其作用尽可能接近真实的电容器。实际电容器具有寄生电阻（称为有效串联电阻或ESR）和寄生电感（称为有效串联电感或ESL）。电容器在电容器的两块板上还具有一定的泄漏电阻，但是该泄漏电阻通常足够大，在高频应用中，尤其是在使用大型电容器时，可以忽略不计。

那么这对您的电容器意味着什么呢？从本质上讲，这意味着每个电容器实际上都是串联的RLC电路。这意味着当以周期性信号驱动时，它具有一定的谐振频率。在低频下，电容器提供的阻抗占主导，您的电容器将表现出接近理想的性能。在足够高的频率下，ESL值将接管，并且阻抗开始表现出电感性。这会在正确的频率上产生称为自谐振的效应。

等效高频电容器模型。

这意味着区分不同频率范围的不同电容器的重要特性是电容器的自谐振频率。在此特定频率下，电容器将表现出其最小阻抗和非常强的电流响应。

对于要在高速度和高频率下运行的PCB来说，电容器的选择非常重要。对于高速数字信号，应选择电容器，使其具有理想的电容阻抗，直至信号的拐点频率（0.35除以10％-90％的上升时间）。换句话说，自谐振频率应大于拐点频率。对于高频模拟信号，应选择任何电容器，以使系统中的相关频率低于自谐振频率。

从设计的角度来看，这很重要，因为您需要电容器发挥理想的电路元件的作用，否则可能会错误地计算出特定电路中提供的电容。从电源完整性和信号完整性方面来说，这一点也很重要。用于旁路/去耦的电容器旨在抑制晶体管切换时功率波动和电源总线或信号链中的振铃，但是尺寸不正确的电容器会由于自谐振而产生振铃，而不是抑制振铃。

一些用于下一个设计的高频电容器

除了标准的电容器选择标准外，如果数据手册中列出了候选电容器的自谐振频率，则应重点关注其位置。如果在数据表中找不到该值，则至少应找到ESR和ESL值。然后，您可以使用以下值快速计算串联RLC电路的自谐振频率（为简单起见，请忽略泄漏电阻）：

电容器的自谐振频率。

找到各种规格后，可以使用上面的公式快速检查给定的电容器将具有足够高的自谐振频率。您可以在本文中阅读有关旁路/去耦电容器的正确尺寸的更多信息。

需要考虑的其他一些重要方面是：

• ESR频率稳定性：由于ESR是寄生效应，因此它也可能是频率的函数。这将在一定程度上影响电容器测得的阻抗曲线的形状。这也会影响某些高频应用中的尺寸。
• 表面贴装与通孔：在微波和更高频率下，这一点变得尤为重要。通孔电容器上的引脚可以在极高的频率（mmWave）下充当坚固的谐振器，这意味着它会像天线一样强烈辐射。请记住这一点。
• 温度和电压稳定性：电容（和所有其他额定值）会随输入电压水平和温度而变化。
• 第一串联谐振（FSR）和第一并联谐振（FPR）：这是最低的额定频率值，在该频率下，该电容器的S11和S21额定值。

这是两组出色的高频电容器，非常适合GHz范围内的应用：

美国技术陶瓷MLCC（1-50 GHz）

American Technical Ceramics 的600系列陶瓷多层电容器非常适合在中低GHz范围内使用。这些电容器是SMT组件，具有0.1-100 pF范围内的稳定额定电容。

来自数据表的ATC 600系列的自谐振频率数据。

AVX UQ系列（1-10 GHz）和Accu-P系列（4-20 GHz）

AVX 的UQ系列电容器非常适合即将推出的5G系统和手机。所述的Accu-P系列薄膜电容器的是理想的在未来5G频带和更短的范围内的汽车雷达操作的设备。其他应用包括卫星和医疗设备。这些电容器是SMT组件，具有0.1-100 pF范围内的稳定额定电容。

Accu-P薄膜高频电容器结构，来自Accu-P数据表。