Kriterien für MLCCs für HF-Einsatz

Von der Relativität von High-Q-Kondensatoren

28. März 2023, 7:30 Uhr | Von Scott Horton, Johanson Technology, und Falko Ladiges, WDI

Bild 1: High-Q-Mehrschichtkondensatoren von Johanson Technology

Geht es um die Auswahl des passenden High-Q-Kondensators, sind Spannungs-, Kapazitäts- und Toleranzwerte nur einige der Kriterien, die zu beachten sind. Nur weil ein Kondensator mit »High-Q« gekennzeichnet ist, bedeutet das nicht unbedingt, dass er auch die erforderliche Leistung bringt.

Obwohl viele High-Q-Kondensatoren auf dem Markt erhältlich sind, kann ihre Leistung je nach Design und Fertigungsqualität stark variieren. Für viele Hochleistungs-HF-Anwendungen ist der »Q-Faktor« von Mehrschicht-Kondensatoren (MLCC) eine der wichtigsten Eigenschaften beim Entwurf von Schaltungen für hochwertige Produkte von MRT-Spulen bis hin zu Industrieelektronik.

Oft als mathematische Formel ausgedrückt, stellt der Q-Faktor die Effizienz eines bestimmten Kondensators in Bezug auf seine Energieverlustrate dar. Theoretisch würde ein perfekter Kondensator keinen Verlust aufweisen und einen vollen Energietransfer entladen, doch in der Realität wird er immer einen gewissen Verlust aufweisen. Je höher dieser Energieverlust ist, desto mehr Wärme wird im Kondensator erzeugt, die abgeleitet oder gekühlt werden muss.

Für Anwendungen mit geringer Leistung ist diese Wärme unbedeutend. Bei Anwendungen mit höherer Leistung können heißlaufende Kondensatoren jedoch benachbarte Bauteile beschädigen und im Extremfall Teile der Leiterplatte ablöten. Da die Energieverluste bei höheren Frequenzen erheblich zunehmen können, führt das selbst bei Schaltungen mit geringer Leistung zu anderen Leistungsproblemen. Eine geringere Empfängerempfindlichkeit und ein geringeres Link-Budget können manchmal mit verlustreicheren Kondensatoren in Verbindung gebracht werden.

Aus diesem Grund werden für Hochleistungs-HF-Anwendungen in der Regel High-Q-Kondensatoren benötigt, die sich durch einen extrem niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) auszeichnen. High-Q-Kondensatoren minimieren nicht nur den Energieverlust, sondern reduzieren auch das durch den ESR verursachte thermische Rauschen und tragen so zur Aufrechterhaltung des gewünschten Signal-Rausch-Verhältnisses bei.

Doch nicht alle High-Q-Kondensatoren sind gleich. Es stellt sich heraus, dass High-Q-Kondensatoren weit davon entfernt sind, ein absolutes Kriterium zu sein, und dass ihre Leistung je nach Design, Herstellung, Qualitätskontrolle und sogar nach der Art der Leistungstests variieren kann.

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Um die Sache noch komplizierter zu machen, verwenden die Hersteller zahlreiche Begriffe für ihre High-Q-Kondensatoren, darunter »High-Q«, »Ultra-High-Q«, »Low Loss« und »RF-Kondensatoren«. In vielerlei Hinsicht ist »High-Q« ein relativer Begriff. Dem Anschein nach bieten viele Kondensatorhersteller ein High-Q-Produkt an, aber die Leistung der Bauteile in der Schaltung kann sehr unterschiedlich sein.

Für die meisten MLCCs werden ESR-Leistungswerte angegeben, die jedoch mit einer gewissen Vorsicht zu betrachten sind. ESR-Tests, die in Laborumgebungen durchgeführt werden, werden meist mit einer von zwei Methoden ermittelt: mithilfe von Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) oder Resonanzleitungen. Einrichtung und Kalibrierung dieser Systeme begrenzen die Genauigkeit der Daten.

Bei der Messung der Kondensatorgüte mit einem Netzwerkanalysator sind die Konfiguration und die Kalibrierung von entscheidender Bedeutung, damit aussagekräftige Daten erfasst werden. Nicht alle Messungen mit VNAs sind gleichermaßen aussagekräftig. Schlecht kalibrierte VNAs können sogar sehr ungenaue Ergebnisse liefern. Eine zuverlässigere Methode zur Prüfung der Güte von Kondensatoren ist das bewährte Resonanzliniensystem. So ist die Boonton-34A-Resonanzlinie seit Jahrzehnten der De-facto-Standard in der Branche.

Viele Hersteller veröffentlichen die ESR-Leistungsdaten einer Boonton-34A-Resonanzleitung. Da diese Methode von der Frequenzgenauigkeit eines Signalgenerators und einer sehr stabilen Resonanzleitung abhängt, lassen sich Messungen mit extremer Präzision durchführen, die über einen längeren Zeitraum wiederholbar sind, sodass man diesen relativen Ergebnissen glauben kann.