Giới thiệu

Khi so sánh các giá trị điện trở được công bố, các kỹ sư cần một cơ sở so sánh chung. Lý tưởng nhất, một cuộn cảm 100 nH với tần số tự cộng hưởng (SRF) là 1 GHz từ một nhà sản xuất sẽ tương đương với một cuộn cảm có cùng giá trị được công bố từ bất kỳ nhà sản xuất nào khác. Tuy nhiên, trên thực tế, các dụng cụ và thiết bị đo lường ảnh hưởng đến phép đo SRF. Vì không phải tất cả các nhà sản xuất đều sử dụng cùng một dụng cụ và thiết bị, nên các giá trị SRF được công bố không hoàn toàn giống nhau, khiến việc so sánh cuộn cảm trở nên khó khăn. Phần giải thích sau đây nhằm mục đích cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc xác định và so sánh SRF trong thực tế.

Tự cộng hưởng của cuộn cảm

Cuộn cảm lý tưởng có điện trở và điện dung bằng không, nhưng cuộn cảm thực tế lại có điện trở và điện dung "mắc song song". Tần số cộng hưởng đầu tiên của cuộn cảm là tần số thấp nhất mà tại đó cuộn cảm cộng hưởng với điện dung của chính nó. Tần số cộng hưởng đầu tiên này có thể được mô phỏng bằng cách mắc song song một cuộn cảm và một tụ điện, như thể hiện trong Hình 1. Điện trở "R1" có tác dụng giới hạn trở kháng gần tần số cộng hưởng.

Tại điểm SRF của cuộn cảm, tất cả các điều kiện sau đây đều được đáp ứng:

• Điện trở đầu vào đạt giá trị cực đại.
• Góc pha của trở kháng đầu vào bằng 0, thay đổi từ giá trị dương (cuộn cảm) sang giá trị âm (tụ điện).
• Vì góc pha bằng 0, nên giá trị của Q cũng bằng 0.
• Độ tự cảm hiệu dụng bằng 0 vì điện trở dung âm (Xc = 1 / jωC) triệt tiêu hoàn toàn điện trở cảm dương (XL = jωL).
• Suy hao chèn 2 cổng (ví dụ: S21 dB) sẽ là giá trị lớn nhất, tương ứng với giá trị nhỏ nhất trong đồ thị tần số so với S21 dB.
• Góc pha của 2 cổng (ví dụ: S21) sẽ bằng 0, thay đổi từ giá trị âm ở tần số thấp sang giá trị dương ở tần số cao.

Bất kỳ phép đo nào trong số này đều có thể được sử dụng để xác định SRF (Hệ số tự tương đối) của cuộn cảm.

Điện dung ảnh hưởng đến SRF như thế nào?

Trong lịch sử, điện dung của cuộn cảm được gọi là "điện dung ghép nối", dựa trên giả định rằng nó là kết quả của sự phân tách điện tích giữa một cuộn dây cách điện. Tuy nhiên, khi đo độ tự cảm trên một mặt phẳng dẫn điện, điện dung ghép nối cũng là một phần của phép đo. Khoảng cách của cuộn dây đến mặt phẳng dẫn điện được sử dụng để đo và hằng số điện môi hiệu dụng của vật liệu đỡ sẽ ảnh hưởng đến điện dung ghép nối. Điều này giải thích phần nào cách thiết bị thử nghiệm ảnh hưởng đến các phép đo SRF. Các phương trình sau minh họa mối quan hệ giữa SRF với độ tự cảm và điện dung trong mạch LC.

Ở đâu

L là giá trị điện cảm tính bằng Henry, và

C là giá trị điện dung tính bằng farad.

Từ phương trình này, rõ ràng là việc tăng điện cảm hoặc điện dung sẽ làm giảm giá trị SRF đo được, và việc giảm điện cảm hoặc điện dung sẽ làm tăng giá trị SRF.

Ảnh hưởng của các thiết bị cố định đến phép đo SRF.

Cần có một thiết bị kẹp để kết nối cuộn cảm với các đầu cực của dụng cụ đo. Sau khi hiệu chuẩn và bù sai số của thiết bị kẹp, tất cả các ảnh hưởng của thiết bị kẹp được coi là đã loại bỏ khỏi phép đo.

Phương pháp bù trừ điện trở của thiết bị đo sử dụng các tiêu chuẩn mạch hở và mạch ngắn, nhưng nó không thể dự đoán được sự tương tác của một cuộn cảm cụ thể với thiết bị đo. Do đó, có thể có điện dung dư giữa cuộn cảm được đo và thiết bị đo sau khi hiệu chuẩn và bù trừ điện trở. Kết quả là, giá trị SRF đo được của cùng một cuộn cảm có thể thay đổi tùy thuộc vào sự kết hợp giữa các thiết bị và thiết bị đo.

Để minh họa ảnh hưởng của điện dung dư từ thiết bị cố định lên SRF, Hình 2 cho thấy điện cảm nối tiếp hiệu dụng của một cuộn cảm chip 100 nH sử dụng phần mềm AWR Microwave Office/Visual System Simulator 2002. Một mô phỏng SPICE được sửa đổi cho thấy ảnh hưởng của điện dung bổ sung 0,01 pF được nối đất ở đầu vào. Thuật ngữ “điện cảm hiệu dụng” được sử dụng vì điện cảm ở tần số thấp là như nhau (100 nH) đối với cả hai mô hình, nhưng điện cảm gần SRF bị ảnh hưởng bởi điện dung giữa cuộn cảm và thiết bị cố định.

Ảnh hưởng của điện dung dư của cuộn cảm thể hiện rõ rệt hơn ở các cuộn cảm có giá trị thấp, trong khi ảnh hưởng của nó đối với các cuộn cảm công suất cao thường rất nhỏ.

Từ Hình 2, có thể tóm tắt một số điểm quan trọng như sau:

• Ngay cả những khác biệt nhỏ trong thiết kế và hiệu chuẩn của các thiết bị kẹp cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá trị SRF đo được.
• Trong khu vực đo giá trị SRF, ngay cả những khác biệt nhỏ trong thiết kế và hiệu chuẩn thiết bị kẹp cũng có thể dẫn đến giá trị điện cảm dương hoặc điện dung âm lớn hơn đáng kể.
• Nếu giá trị điện dung (và điện cảm) ký sinh của mạch in nối với cuộn cảm khác với giá trị của thiết bị thử nghiệm, thì phép đo SRF của cuộn cảm gắn trên mạch in cũng sẽ khác nhau.
• Vì phép đo SRF phụ thuộc vào thiết bị/bề mặt lắp đặt, nên không thể xác định giá trị SRF "điển hình" khi ảnh hưởng của thiết bị lắp đặt là đáng kể.

Sự khác biệt nhỏ về giá trị điện dung ảnh hưởng đến giá trị Q như thế nào?

Hình 3 minh họa ảnh hưởng của điện dung dư của thiết bị đến giá trị Q. Các giá trị được hiển thị là giá trị Q của mô hình cuộn cảm ban đầu được thể hiện trong Hình 2, so với giá trị Q của cùng một cuộn cảm đó khi có thêm điện dung 0,01 pF được nối đất ở đầu vào. Ở tần số thấp, điện dung dư của thiết bị có rất ít ảnh hưởng đến giá trị Q, nhưng ở tần số cao, ảnh hưởng đến Q là đáng kể. Trong ví dụ này, lượng điện dung dư nhỏ được nối đất làm cho giá trị Q cực đại dịch chuyển đến 132 MHz và giảm đi 23% so với giá trị ban đầu.

Mô phỏng SRF phụ thuộc vào bề mặt.

Việc đo đi đo lại tần số cộng hưởng (SRF) của cuộn cảm cho mỗi dự án mạch in mới chắc chắn là bất tiện hoặc tốn thời gian đối với các nhà thiết kế mạch. Có một cách đơn giản hơn để xác định SRF của cuộn cảm cho một nhiệm vụ cụ thể: mô phỏng mạch.

Ảnh hưởng của thiết bị đo được loại bỏ tối đa khỏi phép đo trước khi mô hình hóa các tham số SPICE và S. Điều này dẫn đến giá trị SRF đã loại bỏ của phép đo cao hơn giá trị đo được.

Tuy nhiên, giá trị SRF bị loại bỏ không phải là giá trị SRF thực sự. Giá trị SRF thực sự của bất kỳ cuộn cảm nào luôn phụ thuộc vào đặc tính của mạch in mà nó được gắn trên đó. Nói cách khác, giá trị SRF phụ thuộc vào vật liệu nền.

Bằng cách tích hợp các đặc tính và dung sai của mạch in vào mô phỏng, các nhà thiết kế mạch có thể hình dung được tác động lên các giá trị SRF và tất cả các đặc tính điện khác như độ tự cảm, hệ số Q, trở kháng đầu vào, pha, suy hao chèn và suy hao phản xạ. Kiến thức này cung cấp cho các nhà thiết kế cơ sở thực tiễn để so sánh các cuộn cảm và cuối cùng cho phép họ trả lời câu hỏi liệu một cuộn cảm có phù hợp với một ứng dụng cụ thể hay không.