Passive Komponenten in HF-Schaltungen
Widerstände, Kondensatoren, Antennen … Erfahren Sie mehr über passive Komponenten, die in HF-Systemen verwendet werden.
HF-Systeme unterscheiden sich nicht grundsätzlich von anderen Arten elektrischer Schaltungen. Es gelten die gleichen physikalischen Gesetze, und daher finden sich die in HF-Designs verwendeten Grundkomponenten auch in digitalen Schaltungen und analogen Niederfrequenzschaltungen wieder.
Allerdings bringt das HF-Design eine Reihe einzigartiger Herausforderungen und Ziele mit sich. Daher erfordern die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten der Komponenten besondere Aufmerksamkeit, wenn wir im HF-Kontext arbeiten. Außerdem erfüllen einige integrierte Schaltkreise Funktionen, die sehr spezifisch für HF-Systeme sind. Sie werden in Niederfrequenzschaltungen nicht verwendet und sind für Personen mit wenig Erfahrung mit HF-Designtechniken möglicherweise nicht gut verständlich.
Wir kategorisieren Komponenten häufig als aktiv oder passiv. Dieser Ansatz gilt auch im HF-Bereich. In diesem Artikel werden passive Komponenten speziell im Zusammenhang mit HF-Schaltungen behandelt. Auf der nächsten Seite geht es um aktive Komponenten.
Kondensatoren
Ein idealer Kondensator würde für ein 1-Hz-Signal und ein 1-GHz-Signal genau die gleiche Funktionalität bieten. Komponenten sind jedoch nie ideal, und die Nichtidealitäten eines Kondensators können bei hohen Frequenzen ziemlich erheblich sein.
„C“ entspricht dem idealen Kondensator, der zwischen vielen parasitären Elementen verborgen ist. Wir haben einen nicht unendlichen Widerstand zwischen den Platten (RD), einen Serienwiderstand (RS), eine Serieninduktivität (LS) und eine Parallelkapazität (CP) zwischen den PCB-Pads und der Massefläche (wir gehen von oberflächenmontierten Komponenten aus; mehr dazu später).
Die größte Nichtidealität bei der Arbeit mit Hochfrequenzsignalen ist die Induktivität. Wir erwarten, dass die Impedanz eines Kondensators mit zunehmender Frequenz kontinuierlich abnimmt. Das Vorhandensein der parasitären Induktivität führt jedoch dazu, dass die Impedanz bei der Eigenresonanzfrequenz abfällt und dann wieder zunimmt:
Widerstände usw.
Sogar Widerstände können bei hohen Frequenzen problematisch sein, da sie über Serieninduktivität, Parallelkapazität und die typische Kapazität verfügen, die mit PCB-Pads verbunden ist.
Und das bringt uns zu einem wichtigen Punkt: Bei der Arbeit mit hohen Frequenzen sind parasitäre Schaltungselemente allgegenwärtig. Egal wie einfach oder ideal ein Widerstandselement ist, es muss dennoch verpackt und auf eine Leiterplatte gelötet werden, und das Ergebnis sind parasitäre Elemente. Dasselbe gilt für jedes andere Bauteil: Wenn es verpackt und auf die Platine gelötet wird, sind parasitäre Elemente vorhanden.
Kristalle
Der Kern der HF-Technik besteht darin, Hochfrequenzsignale so zu manipulieren, dass sie Informationen übermitteln. Doch bevor wir sie manipulieren können, müssen wir sie erzeugen. Wie in anderen Schaltungstypen sind Kristalle ein grundlegendes Mittel zur Erzeugung einer stabilen Frequenzreferenz.
Im Digital- und Mixed-Signal-Design ist es jedoch häufig so, dass quarzbasierte Schaltungen nicht die Präzision eines Quarzes benötigen, sodass man bei der Quarzauswahl leicht nachlässig wird. Im Gegensatz dazu kann eine HF-Schaltung strenge Frequenzanforderungen haben, die nicht nur anfängliche Frequenzpräzision, sondern auch Frequenzstabilität erfordern.
Die Schwingfrequenz eines gewöhnlichen Quarzes reagiert empfindlich auf Temperaturschwankungen. Die daraus resultierende Frequenzinstabilität führt zu Problemen für HF-Systeme, insbesondere für Systeme, die großen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Daher kann ein System einen TCXO, einen temperaturkompensierten Quarzoszillator, benötigen. Diese Geräte verfügen über eine Schaltung, die die Frequenzschwankungen des Quarzes kompensiert:
Antennen
Eine Antenne ist ein passives Bauteil, das ein elektrisches HF-Signal in elektromagnetische Strahlung (EMR) umwandelt oder umgekehrt. Mit anderen Bauteilen und Leitern versuchen wir, die Auswirkungen von EMR zu minimieren, und mit Antennen versuchen wir, die Erzeugung oder den Empfang von EMR im Hinblick auf die Anforderungen der Anwendung zu optimieren.
Die Antennenwissenschaft ist keineswegs einfach. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Auswahl oder den Entwurf einer für eine bestimmte Anwendung optimalen Antenne. AAC bietet zwei Artikel (hier und hier) an, die eine hervorragende Einführung in die Antennenkonzepte bieten.
Höhere Frequenzen bringen verschiedene Designherausforderungen mit sich, wobei der Antennenteil des Systems mit zunehmender Frequenz tatsächlich weniger problematisch werden kann, da höhere Frequenzen den Einsatz kürzerer Antennen ermöglichen. Heutzutage wird üblicherweise entweder eine „Chip-Antenne“ verwendet, die wie typische oberflächenmontierte Komponenten auf eine Leiterplatte gelötet wird, oder eine PCB-Antenne, die durch die Integration einer speziell entwickelten Leiterbahn in das PCB-Layout entsteht.
Zusammenfassung
Einige Komponenten sind nur in HF-Anwendungen üblich, andere müssen aufgrund ihres nicht idealen Hochfrequenzverhaltens sorgfältiger ausgewählt und implementiert werden.
Passive Komponenten weisen aufgrund parasitärer Induktivität und Kapazität einen nicht idealen Frequenzgang auf.
Für HF-Anwendungen sind möglicherweise Kristalle erforderlich, die genauer und/oder stabiler sind als die üblicherweise in digitalen Schaltkreisen verwendeten Kristalle.
Antennen sind kritische Komponenten, die entsprechend den Eigenschaften und Anforderungen eines HF-Systems ausgewählt werden müssen.
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Beitragszeit: 03.11.2022
