陶瓷電容的等效串聯(lián)電阻損耗

    在選用射頻片狀陶瓷電容時(shí)，等效串聯(lián)電阻（ESR）常常是重要參數(shù)。ESR通常以毫歐姆為單位，是電容的介質(zhì)損耗（Rsd）和金屬損耗（Rsm）的綜合（ESR＝Rsd+Rsm）。事實(shí)上所有射頻線路都用到陶瓷電容，所以評估陶瓷電容損耗對線路性能的影響是十分重要的。

   低損耗射頻電容的優(yōu)點(diǎn)

　　低損耗射頻電容的優(yōu)點(diǎn),在所有射頻電路設(shè)計(jì)中，選用低損耗（超低ESR）片狀電容都是一項(xiàng)重要考慮。以下是幾種應(yīng)用中低損耗電容的優(yōu)點(diǎn)。在手持便攜式發(fā)射設(shè)備的末級功率放大器內(nèi)使用低損耗電容作場效應(yīng)晶體管源極旁路和漏極耦合，可以延長電池壽命。ESR高的電容增加I2ESR損耗，浪費(fèi)電池能量。使用低損耗電容產(chǎn)品使射頻功率放大器更容易提高功率輸出和和效率。例如，用低損耗射頻片狀電容作耦合，可以實(shí)現(xiàn)的放大器功率輸出和效率。對于目前的射頻半導(dǎo)體設(shè)備，例如便攜手持設(shè)備的單片微波集成電路，尤其是如此。許多這種設(shè)備的輸入阻抗極低，因此輸入匹配電路中電容的ESR損耗在全部網(wǎng)絡(luò)的阻抗中占了很大的百分比。如果設(shè)備輸入阻抗是1歐姆而電容ESR是0.8歐姆，約40％的功率將由于ESR損耗而被電容消耗掉。這將減低效率和輸出功率。高射頻功率應(yīng)用也需要低損耗電容，這方面的典型應(yīng)用是要使一個(gè)高射頻功率放大器和動(dòng)態(tài)阻抗相匹配。例如半導(dǎo)體等離子爐需要高射頻功率匹配，設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用了電容。負(fù)載從接近零的低阻抗大幅度擺動(dòng)到接近開路，導(dǎo)致匹配網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大電流，使電容負(fù)荷劇增。這種情況使用超低損耗電容，例如ATC的100系列陶瓷電容，為理想。發(fā)熱控制，特別是在高射頻功率情況下，和元件ESR直接有關(guān)。這種情況下的電容功率耗散可以經(jīng)由I2ESR 損耗計(jì)算出來。低損耗電容產(chǎn)品在這些線路中能減少發(fā)熱，使線路發(fā)熱問題更容易控制。見下節(jié)“功率耗散”中的例子。

　　使用低損耗電容可增加小信號放大器的有效增益和效率。設(shè)計(jì)低噪聲放大器（LNA）時(shí)使用低損耗陶瓷電容可以把熱噪聲（KTB）減到。使用超低損耗電容也可很容易地改善信噪比和總體噪聲溫度。設(shè)計(jì)濾波網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用低損耗陶瓷電容能把輸入頻帶插入損耗（S21）減到，而且使濾波曲線更接近矩形，折返損耗性能更好。MRI成象線圈的陶瓷電容必須是超低損耗。這些電容和MRI線圈相接，線圈是調(diào)諧電路的一部分。因?yàn)镸RI 掃描器要檢測極弱的信號，線圈的損耗必須很低，一般在幾個(gè)毫歐姆的量級。如果ESR損耗超過這個(gè)量級，而設(shè)計(jì)者沒有采取措施降低損耗，成象分辨率就會降低。ATC100系列陶瓷電容組具有超低損耗，因而經(jīng)常用于線圈電路。這些電容組在諧振電路中發(fā)揮功能，卻不增加整個(gè)線路的損耗。

　　1. ESR引起的電容功率耗散

　　ESR乘以射頻網(wǎng)絡(luò)電流的平方就得到耗散在電容里的功率。所以耗散在電容里的功率可以表示為：Pd=ESRx(射頻電流)2或Pd=ESR x I2一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，低損耗電容用于高射頻功率設(shè)備中時(shí)，設(shè)備功率可以是電容額定功率的幾百倍。

　　下面是低ESR電容這樣使用的一例。射頻功率＝1000瓦電容是ATC100E102 （1000pF）

　　頻率＝30MHzESR＝0.018 歐姆（18 毫歐姆）；設(shè)備線路阻抗＝50 歐姆。注意，100E系列允許功率耗散是大約5瓦。

　　解：計(jì)算這一線路的射頻電流， 再以電流計(jì)算電容中的射頻功率耗散。電流＝（功率/阻抗）

　　1/2 (這是這一線路內(nèi)的電流)（1000/50）1/2 =4.47 安培電容中實(shí)際耗散功率：P＝I2 x ESR (這

　　是電容將耗散的功率)P＝4.47 x 4.47 x 0.018 = 0.34 瓦。

　　這個(gè)結(jié)果意味著在一個(gè)1000瓦射頻功率，50歐姆阻抗的設(shè)備中，只有0.34瓦是由于ESR而被電容消耗掉的。因此，電容由于ESR只消耗了它額定功率的6.8％。由于電容ESR損耗極低，電容溫升可以忽略。

　　介質(zhì)損耗（Rsd）

　　介質(zhì)成分，不純度和微觀結(jié)構(gòu)例如晶粒大小，組成和氣孔多少（密度）這些介質(zhì)特性決定陶瓷電容的介質(zhì)損耗正切。每種介質(zhì)都有自己的損耗因數(shù)，或損耗正切。損耗正切數(shù)值等于耗散系數(shù)（DF），是電容介質(zhì)在射頻下?lián)p耗的量度。這個(gè)損耗造成介質(zhì)發(fā)熱。在極端情況下，熱損壞能造成設(shè)備失效。耗散系數(shù)是介質(zhì)損耗量級很好的指標(biāo)，通常是在低頻，即1MHz下測定的。在這頻率下介質(zhì)損耗是電容損耗的主要成分。

　　金屬損耗（Rsm）

　　金屬損耗取決于電容結(jié)構(gòu)中所有金屬各自的電阻特性，和趨膚效應(yīng)引起的隨頻率變化的電極損耗。這包括電極，終端和阻擋層等任何其他金屬。Rsm的作用也是使電容發(fā)熱。在極端情況下，熱損壞能造成設(shè)備失效。這些損耗包括歐姆損耗和趨膚效應(yīng)損耗。多數(shù)多層陶瓷電容的“趨膚效應(yīng)”損耗通常發(fā)生在30MHz以上的頻率。下例給出一個(gè)ESR，由金屬的Rsm構(gòu)成，數(shù)值由頻率決定。例：一個(gè)100pF 電容在30MHz時(shí)ESR是18毫歐姆。它在120MHz時(shí)ESR是多少？

　　解：計(jì)算頻率比值的平方根：(120/30)1/2 ＝（4）1/2 ＝2120MHz時(shí)ESR是30MHz時(shí)的2

　　倍，即36毫歐姆。

　　下表給出ATC180R系列22pF 電容的介質(zhì)損耗Rsd和金屬損耗Rsm。兩種損耗分別在不同

　　頻率下測定，相同頻率下測得的兩種損耗相加得到該頻率下的ESR。注意低頻下占主導(dǎo)地位的是介質(zhì)損耗Rsd，高頻下則是金屬損耗Rsm。其他容值的電容情況相似，只是Rsd和Rsm分占比例不同。

　　通常產(chǎn)品目錄給出頻率30MHz或更高時(shí)的ESR曲線，這時(shí)損耗主要由金屬造成，介質(zhì)損耗事實(shí)上低到可以忽略，不對總體ESR造成任何影響。

　　ESR， Q， DF 和Xc 的關(guān)系

　　下圖是電容電壓電流的相位關(guān)系，以及耗散系數(shù)，ESR和阻抗幅值。在理想電容里電流超前電壓90o。下圖中Ia 是流過電容的實(shí)際電流，Ia和理想電容電流形成一個(gè)Φ角，叫做損耗角。注意Ia和Vc的關(guān)系與Xc和ESR的關(guān)系成比例。下面表2給出圖1中所有參數(shù)的關(guān)系。普遍規(guī)律是，在頻率低于1MHz時(shí)，介質(zhì)損耗（Rsd）占主導(dǎo)地位，設(shè)計(jì)時(shí)用DF。在較高的射頻頻率，即30MHz 到微波頻率，ESR 和對應(yīng)的Q值事實(shí)上總是主要由金屬損耗（Rsm）決定。

　　2. 測量ESR

　　在使用電容的射頻設(shè)計(jì)中，ESR是必須考慮的重要參數(shù)。為了有效地描述電容的ESR，需要可靠和可重復(fù)的測試方法。測量高Q片狀陶瓷電容的ESR 需要固有Q值大于被測器件（DUT）的測試系統(tǒng)。高Q諧振同軸線是常用測試設(shè)備。同軸線諧振腔通常由銅管作外導(dǎo)體，銅棒作中心導(dǎo)體。被測器件串聯(lián)在中心導(dǎo)體和地之間。見圖3。測量ESR之前，先要確定空載諧振傳輸線的特性。將同軸線短路，再加射頻激勵(lì)，測出四分之一和四分之三波長帶寬。然后，將傳輸線開路，測出半波長和一個(gè)波長帶寬。從以上數(shù)據(jù)可得到傳輸線空載Q值，測量系統(tǒng)電阻和諧振頻率。通常傳輸線空載Q值量級是1300 到5000（130MHz 到3GHz）， 四分之一波長測量系統(tǒng)電阻是5到7毫歐姆。

　　被測樣品電容和位于傳輸線低阻抗端的短路活塞串聯(lián)。調(diào)整信號源頻率以獲得諧振電壓峰值。再改變信號源頻率從諧振曲線峰值向左右下調(diào)6dB。在傳輸線的高阻抗端以輕度耦合接入射頻毫伏表探頭，以測量6dB點(diǎn)的射頻電壓。被測器件接入后對傳輸線Q值造成微擾，改變了上述無載時(shí)的諧振頻率和帶寬。對應(yīng)的下調(diào)6dB的頻率fa 和f b 可用于計(jì)算電容的ESR。此法稱為Q值微擾法，見圖2。注意：因?yàn)楸粶y電容樣品的容性電抗與傳輸線串聯(lián)，使傳輸線的電長度變小，變化量由電容容值決定。對于容值10pF以上的電容，可以得到合理的測量。當(dāng)容值接近1 pF時(shí)， ESR測量誤差變得很大。低電容容值意味著高容抗值，因此劇烈改變傳輸線電長度。在諧振時(shí)，傳輸線電抗和被測器件的電抗幅值相同，符號相反。

　　常用測量系統(tǒng)由同軸線制成（BOONTON型號34A），標(biāo)稱長度57.7cm，諧振頻率130MHz， 特性阻抗75 歐姆。傳輸線特性阻抗為75歐姆時(shí)傳輸線Q值，所以選用75歐姆。對于其他頻率范圍，可選其他長度的傳輸線。

　　信號發(fā)生器接在傳輸線的低阻抗端，以無感電阻為終端。電阻安在TNC接頭上，插入傳輸線的被測器件端。一個(gè)暴露的導(dǎo)體環(huán)與傳輸線輕度耦合，將射頻能量導(dǎo)入傳輸線。以信號發(fā)生器掃頻，直到射頻毫伏表顯示電壓諧振峰值。旋轉(zhuǎn)信號源環(huán)路，直到傳輸線高阻抗端的毫伏表顯示3 毫伏的參考電壓。這一步是為了確保射頻信號源不對傳輸線加載而降低其Q值。見圖3。射頻探頭安在傳輸線的高阻抗端，與射頻毫伏表相連，在諧振時(shí)測量射頻電壓。從量測結(jié)果可算出帶寬和Q值。將這樣測得的有載帶寬（BW）和Q值和開始無載短路條件下的結(jié)果比較，獲得Q和帶寬變化量，即可計(jì)算ESR。將帶寬數(shù)據(jù)和初始傳輸線特性代入方程即可算出被測樣品的ESR。這里描述的ESR測法是以串聯(lián)模式進(jìn)行的，適用頻率達(dá)到約3GHz。

　　影響ESR測量的因素

　　為測定頻帶（BW）的頻率測量數(shù)據(jù)至少需 4位小數(shù)，5 位更好。信號源和測量探頭都必須與傳輸線輕度耦合。傳輸線高阻抗端需屏蔽以減少輻射， 這樣Q 就不受影響。屏蔽由截止衰減器實(shí)現(xiàn)，衰減器提供每半徑16dB 衰減。被測器件在測試系統(tǒng)中放置方式要保持一致。為使測試結(jié)果能重復(fù)，必須保持系統(tǒng)接觸表面的清潔。