Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Einfluss der Kondensatorqualität auf die Signalintegrität
Es ist einem nicht unbedingt immer bewusst, dass passive Bauelemente nicht ideal sind. Sie sind es aber gleichwohl. Kondensatoren, die in Stromversorgungen eingesetzt werden, können durch ihre Eigenschaften negativen Einfluss auf die Signalintegrität haben. Um dies zu verstehen, ist es ratsam, die Eigenschaften eines realen Kondensators zu untersuchen.
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Kennzeichnend für einen idealen Kondensator ist, dass er ausschließlich eine Kapazität besitzt, aber keine Induktivität und keinen Widerstand. Von diesem Ideal weichen reale Kondensatoren grundlegend ab, denn sie weisen neben einem Streu- und einem Serienwiderstand auch eine Induktivität auf (Bild A). In der Grafik nicht abgebildet ist ein Serien-RC-Element, das für die hier nicht weiter behandelte dielektrische Absorption steht. Die dargestellten Widerstände und Induktivitäten werden dem Bauelement nicht absichtlich hinzugefügt, sondern sind unvermeidbare Nebenprodukte, die aus den verwendeten Materialien resultieren.
Der Kondensator selbst besteht, vereinfacht dargestellt, aus zwei parallelen Platten. Diese sind durch ein Dielektrikum, für das mehrere Verbundstoffe in Frage kommen, voneinander getrennt. Obwohl viele Dielektrika einen sehr hohen Widerstand und einen scheinbar fast unendlich hohen Leckwiderstand (RLEAK) aufweisen, haben wir es hier keineswegs mit einem idealen Isolator zu tun.
Die effektive Serien-Induktivität (LES) bildet zusammen mit der Kapazität des Kondensators einen Schwingkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, bei der die Impedanz des Bauelements ein Minimum erreicht. Oberhalb des Serienresonanz-Punkts wird der Kondensator induktiv, denn seine Impedanz nimmt ab hier mit der Frequenz zu, wie die durchgezogenen Linien in Bild B zeigen. Die unterschiedlichen Linien stehen hier für die Impedanzen von Kondensatoren mit verschiedenen Kapazitätswerten. Bei den eben erwähnten „hohen Frequenzen“ kann es sich beispielsweise um die Oberwellen der Signalfrequenzen handeln. So ist es bei digitalen Signalen durchaus nicht ungewöhnlich, dass noch über die 10. Oberwelle hinaus Energie vorhanden ist.
Die Tatsache, dass der Kondensator bei hohen Frequenzen induktiv wird, ist häufig Anlass für die Empfehlung, drei oder vier Kondensatoren verschiedener Kapazität parallelzuschalten. In diesem Fall liegt die Kapazität des einen Kondensators parallel zur LES der übrigen Kondensatoren. Der so gebildete Parallel-Resonanzkreis erhöht die Gesamt-Impedanz aller Kondensatoren. Diese Parallelresonanz wird allgemein als „Anti-Resonanz“ bezeichnet (gestrichelte Linie in Bild B).
Problematisch kann auch der effektive Serienwiderstand (RES) eines Kondensators sein, sofern er genügend hoch ist. Dieser wird zusammen mit seiner Kapazität die Impedanz des Kondensators bei seiner Serienresonanzfrequenz begrenzen. Der meist im mΩ-Bereich liegende Widerstand hängt von den mechanischen Abmessungen des Kondensators und vom Herstellungsprozess ab. Letzteres bedeutet, dass die Eigenschaften auch von einem Hersteller zum anderen schwanken können.
Der RES hat einen niedrigeren Serienresonanz-Gütefaktor (Q) zur Folge und sorgt dafür, dass der Kondensator über einen weiteren Frequenzbereich als Durchlass wirkt, als es bei einem niedrigeren Wert der Fall wäre. Außerdem lässt er die Mindest-Impedanz des Kondensators ansteigen. Generell wird ein Q-Wert von 2 bis 5 angestrebt.
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