Come abbinare gli induttori alle diverse applicazioni critiche di circuiti RF

I circuiti a radiofrequenza (RF) e a microonde in applicazioni quali radar, risonanza magnetica (MRI), sistemi di comunicazione ed elettronica medicale richiedono componenti passivi specifici, precisi, stabili e a bassa perdita. Questi requisiti sono particolarmente importanti per gli induttori, che devono avere valori di induttanza stabili con variazioni minime dovute alla temperatura e alla frequenza. Devono inoltre preservare l'integrità del segnale riducendo al minimo le perdite ed evitando le frequenze autorisonanti (SRF) all'interno della larghezza di banda dell'applicazione.

Questo articolo esamina i requisiti e le caratteristiche degli induttori per le applicazioni RF. Presenta poi gli induttori con nucleo ceramico ad alto Q di Knowles che i progettisti possono utilizzare per soddisfare le esigenze delle applicazioni RF più impegnative.

Induttori nei circuiti RF

Gli induttori sono componenti reattivi passivi che si oppongono alle variazioni di corrente immagazzinando energia in un campo magnetico. Sono costituiti da una bobina di filo, relativamente semplice nella costruzione, ma il filo avvolto dà origine a diversi elementi parassiti. Il circuito equivalente di un induttore comprende l'induttanza e la capacità dei conduttori, la resistenza della bobina e la capacità spira/spira (Figura 1).

Figura 1: Il circuito equivalente di un induttore comprende elementi parassiti di induttanza, capacità e resistenza. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il ruolo degli induttori nei circuiti RF varia da semplici bobine di arresto per isolare i componenti del segnale in c.a. da quelli in c.c. a dispositivi finemente regolati nei circuiti risonanti e nei filtri. Funzionano a frequenze RF e a microonde, dove la riduzione al minimo delle riflessioni e delle onde stazionarie richiede la progettazione di componenti con basse capacità e induttanze parassite. In tali applicazioni è necessario considerare anche gli effetti dipendenti dalla frequenza, come l'effetto pelle e le radiazioni. Gli induttori RF gestiscono i piccoli segnali in cui le perdite non possono essere tollerate, richiedendo un elevato fattore di qualità (Q) e una bassa resistenza equivalente in serie (ESR). Di conseguenza, le specifiche degli induttori non comprendono solo induttanza, tolleranza e potenza nominale, ma anche diversi requisiti specifici per le radiofrequenze, soprattutto Q, SRF e ESR.

Che cos'è il valore Q per gli induttori?

Q è una cifra di merito che indica quanto un dato induttore si avvicini al modello ideale. Un induttore ideale avrebbe un'impedenza costituita esclusivamente dalla reattanza induttiva. La corrente che attraversa l'induttore sarebbe sfasata di novanta gradi rispetto alla tensione applicata. Un induttore reale presenta elementi parassiti, tra cui l'induttanza di dispersione, la capacità e la resistenza (si veda ancora la Figura 1). La resistenza è dovuta alla resistenza in serie del conduttore, all'effetto pelle, alle perdite nel nucleo e alle perdite per radiazione. La resistenza c.c. (DCR) è la fonte primaria di resistenza.

Q è una cifra di merito adimensionale pari al rapporto tra la reattanza induttiva di un induttore e la sua resistenza, secondo l'equazione Q = X_L/R = (2pfL)/R

Dove:

Q è il fattore di qualità

X_L è la reattanza induttiva in ohm (Ω)

f è la frequenza in hertz (Hz)

L è l'induttanza in henry (H)

R è la ESR (Ω)

Q può essere considerato come una misura della perdita di energia nell'induttore rispetto all'energia immagazzinata. Più alto è Q, minore è la perdita di energia e più vicino all'ideale sono le prestazioni dell'induttore. Q dipende dalla frequenza a causa della reattanza induttiva e dell'effetto pelle resistivo (Figura 2).

Figura 2: I grafici di Q dell'induttore in funzione della frequenza ne mostrano la dipendenza dalla frequenza. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Per ottenere basse perdite, Q deve essere il più alto possibile e la resistenza in serie deve essere ridotta al minimo.

Qual è la SRF di un induttore RF?

La SRF di un induttore RF è la frequenza alla quale l'induttanza, accoppiata alle capacità parassite parallele, forma un circuito risonante parallelo. Alla SRF, l'impedenza dell'induttore diventa molto alta, comportandosi come un circuito aperto. L'induttore sembra induttivo solo fino alla SRF (Figura 3).

Figura 3: Il grafico mostra che l'induttanza in funzione della frequenza è piatta fino alla SRF. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

La SRF di un induttore è inversamente proporzionale alla sua induttanza. Induttanze più elevate richiedono un numero maggiore di spire e la capacità parassita dell'avvolgimento aumenta proporzionalmente, con conseguente riduzione della SRF.

Definizione di ESR dell'induttore

La ESR di un induttore è formata da due parti: DCR e resistenza in funzione della frequenza. La resistenza dipendente dalla frequenza è dovuta all'effetto pelle, per cui alle alte frequenze la corrente che attraversa un conduttore non è distribuita uniformemente su tutta la sezione trasversale del conduttore, ma tende a concentrarsi verso la superficie esterna. La componente DCR è relativamente facile da misurare e solitamente è indicata nelle specifiche dell'induttore. L'effetto pelle dipende dalla frequenza ed è generalmente descritto come parte del grafico Q illustrato nella Figura 2.

Induttori con nucleo ceramico ad alto Q per circuiti RF critici

Per soddisfare i requisiti dei circuiti RF critici per radar, RMI, sistemi di comunicazione ed elettronica medicale, Knowles ha sviluppato la serie CL1008 di induttori ceramici a filo avvolto ad alto Q a montaggio superficiale. Questi induttori affidabili sono progettati per funzionare in un ampio campo di frequenze, garantendo un'elevata integrità del segnale grazie a una combinazione di alto Q e perdite di segnale ridotte.

Questi induttori sono costituiti da un nucleo ceramico non magnetico che funge da base per la bobina di filo di rame (Figura 4, in alto). Sono anche molto compatti, misurando solo 2,80 × 2,60 × 2,30 mm (Figura 4, in basso).

Figura 4: La serie CL1008 di induttori RF ad alto Q utilizza un nucleo ceramico non magnetico (in alto) e misura solo 2,80 × 2,60 × 2,30 mm (in basso). (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Il nucleo ceramico supporta l'avvolgimento senza subire perdite di potenza. Ciò porta a una struttura del dispositivo compatibile con i processi di montaggio superficiale, cosa che sarebbe difficile per un induttore in aria.

La bobina è collegata alle terminazioni inferiori in argento sinterizzato con una barriera in rame stagnato. Il lato superiore dell'induttore presenta una superficie liscia che lo rende compatibile con le operazioni di pick-and-place.

Come per qualsiasi altro induttore, l'induttanza è proporzionale al numero di spire della bobina. Questa serie di induttori è disponibile con induttanze che vanno da 12 nH a 10 mH e correnti nominali da 140 mA a 1000 mA a +85 °C e da 70 mA a 1000 mA a +125 °C. La temperatura di funzionamento va da -55 °C a +125 °C; tutti sono a norma RoHS e senza alogeni.

Sebbene siano disponibili diverse tecnologie di produzione per gli induttori ceramici, tra cui le implementazioni a filo avvolto, a film e multistrato, l'induttore con nucleo ceramico a filo avvolto presenta alcuni vantaggi. In primo luogo, l'avvolgimento induttore non è confinato in un contenitore chiuso. Ciò porta a un maggior numero di spire di filo e conseguentemente un intervallo più esteso dei valori di induttanza ottenibili. Inoltre, la sezione trasversale del conduttore non è limitata dal processo di stampa utilizzato nei materiali in film e multistrato; pertanto, è possibile utilizzare fili più spessi, aumentando la corrente nominale e riducendo la resistenza. La minore resistenza produce un Q più elevato.

Induttore con nucleo ceramico per applicazioni RF

Un uso tipico degli induttori RF riguarda gli oscillatori, come l'oscillatore di Colpitts illustrato nella Figura 5.

Figura 5: L'oscillatore di Colpitts utilizza due induttori RF, uno come componente di accordo (L1) e l'altro come bobina di arresto (L2). (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Tutti gli oscillatori utilizzano la retroazione positiva per ottenere l'oscillazione. In questo esempio di oscillatore di Colpitts, la retroazione dal collettore alla base di Q1 avviene tramite C3 da un circuito risonante accordato formato da C1, C2 e L1. Formano una rete a pi greco che risuona alla frequenza determinata da L1 e dalla combinazione in serie di C1 e C2. L1 deve avere un alto Q per ridurre al minimo le perdite e aumentare la stabilità della frequenza.

L'induttore L2 è una bobina di arresto RF che consente il passaggio della corrente continua, ma impedisce al segnale di uscita di raggiungere la fonte di alimentazione. L2 deve avere una bassa DCR per limitare le perdite di tensione e una corrente nominale sufficiente per alimentare l'oscillatore. La SRF di un induttore utilizzato come bobina di arresto a deve essere molto più alta della frequenza del segnale di uscita per garantire un comportamento induttivo nella banda di interesse.

I filtri induttanza-capacitanza (LC) sono un'altra applicazione RF comune degli induttori. Questi filtri sono tipicamente utilizzati in serie tra gli stadi RF per modellare la banda passante del segnale trasmesso e limitare l'energia fuori banda (OOB), comprese le armoniche e le interferenze elettromagnetiche (EMI). Alle frequenze RF, è facile implementare i filtri utilizzando progetti LC, poiché l'induttanza e la capacità necessarie sono relativamente piccole e ciò porta a fattori di forma compatti. I filtri sono classificati in base alle loro caratteristiche di limitazione della frequenza come passa-basso, passa-alto, passa banda (Figura 6) o elimina banda.

Figura 6: Un filtro passa-banda Butterworth LC del quinto ordine utilizza cinque induttori (da L1 a L5). (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Questo filtro ha una configurazione Butterworth del quinto ordine, quindi utilizza cinque sezioni LC per implementare la risposta in frequenza passa banda. I fattori che influenzano la scelta degli induttori includono l'induttanza e la tolleranza del componente, SRF, Q e DCR.

La SRF degli induttori utilizzati deve essere almeno dieci volte superiore alla banda di frequenza del filtro per garantire un comportamento prevedibile dell'induttore. Il valore Q deve essere il più alto possibile per garantire la precisione del filtro. Per ridurre al minimo le perdite di potenza e il riscaldamento interno, è necessario una bassa DCR.

Il valore dell'induttanza e la tolleranza dell'induttore influiscono sulla risposta in frequenza del filtro, comprese le posizioni della frequenza d'angolo, e sono selezionati durante la progettazione del filtro.

Esempi di induttori con nucleo ceramico ad alto Q

Gli induttori con nucleo ceramico ad alto Q serie CL1008 di Knowles sono progettati per ottimizzare l'integrità e l'efficienza del segnale su un ampio campo di frequenze RF e a microonde. Ad esempio, CL1008-2124JQL1T-1 è un induttore con nucleo ceramico da 120 nH ±5% con un Q di 60 a 350 MHz e una SRF di 900 MHz. Ha una DCR di 0,63 Ω e una capacità nominale di 300 mA a 125 °C e di 600 mA a 85 °C.

Per induttanze più basse, compatibili con frequenze più elevate, si può optare per CL1008-2123JQL1T-1, un induttore da 12 nH ±5% con un Q di 50 MHz a 500 MHz e una SRF di 3.300 MHz. L'induttanza inferiore richiede un minor numero di spire e una resistenza ridotta, in particolare 0,09 Ω in questo caso, che si traduce in una corrente massima nominale di 1m000 mA a +125 °C.

Esaminando il modello CL1008-2823JQL1T-1 e confrontandone le specifiche con quelle degli altri induttori, è evidente che esiste una chiara relazione tra induttanza, SRF, Q e DCR. CL1008-2823JQL1T-1 è un induttore da 82 nH ±5% con un Q di 60 a 350 MHz e una SRF di 1200 MHz. Ha una DCR di 0,22 Ω e una corrente massima di 370 mA a 125 °C e 730 mA a 85 °C.

Infine, CL1008-2474JQL1T-1 è un induttore con nucleo ceramico da 470 nH ±5% con un Q di 45 a 100 MHz e una SRF di 450 MHz. Ha una DCR di 1,17 Ω e una corrente massima nominale di 240 mA a 125 °C e 470 mA a 85 °C.

È più facile confrontare la relazione tra i valori Q e le diverse induttanze facendo riferimento alla Figura 2. Si noti che il picco di Q diminuisce all'aumentare dell'induttanza.

Conclusione

Gli induttori con nucleo ceramico ad alto Q di Knowles forniscono ai progettisti di circuiti RF valori di induttanza stabili, alto Q e bassa ESR per applicazioni RF critiche che richiedono un'eccellente integrità del segnale, perdite di potenza minime e affidabilità superiore.