การแนะนำ

เมื่อเปรียบเทียบค่าทางไฟฟ้าที่เผยแพร่ วิศวกรต้องการพื้นฐานทั่วไปสำหรับการเปรียบเทียบ ในอุดมคติแล้ว ตัวเหนี่ยวนำ 100 nH ที่มีความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง (SRF) 1 GHz จากผู้ผลิตรายหนึ่ง จะเทียบเท่ากับตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าที่เผยแพร่เดียวกันจากผู้ผลิตรายอื่นทุกราย อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง เครื่องมือและอุปกรณ์ทดสอบมีผลต่อการวัด SRF เนื่องจากผู้ผลิตทุกรายไม่ได้ใช้เครื่องมือและอุปกรณ์เดียวกัน ดังนั้นค่า SRF ที่เผยแพร่จึงไม่เท่ากันทั้งหมด ทำให้การเปรียบเทียบตัวเหนี่ยวนำทำได้ยาก การอธิบายต่อไปนี้มีจุดประสงค์เพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการกำหนดและการเปรียบเทียบ SRF ในทางปฏิบัติ

การสั่นพ้องด้วยตนเองของตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติจะมีค่าความต้านทานและค่าความจุเป็นศูนย์ แต่ตัวเหนี่ยวนำในความเป็นจริงจะมีค่าความต้านทานและค่าความจุ "แฝง" อยู่ ความถี่เรโซแนนซ์แรกของตัวเหนี่ยวนำคือความถี่ต่ำสุดที่ตัวเหนี่ยวนำเกิดเรโซแนนซ์กับค่าความจุของมันเอง เรโซแนนซ์แรกสามารถจำลองได้ด้วยการต่อขนานของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ดังแสดงในรูปที่ 1 ตัวต้านทาน "R1" ทำหน้าที่จำกัดค่าอิมพีแดนซ์ใกล้กับความถี่เรโซแนนซ์

ที่จุด SRF ของตัวเหนี่ยวนำ เงื่อนไขต่อไปนี้ทั้งหมดเป็นไปตามที่กำหนด:

• ค่าความต้านทานอินพุตอยู่ที่จุดสูงสุด
• มุมเฟสของอิมพีแดนซ์อินพุตเป็นศูนย์ โดยเปลี่ยนจากค่าบวก (เหนี่ยวนำ) ไปเป็นค่าลบ (คาปาซิเตอร์)
• เนื่องจากมุมเฟสเป็นศูนย์ ดังนั้นค่า Q จึงเป็นศูนย์
• ค่าความเหนี่ยวนำประสิทธิผลเป็นศูนย์ เนื่องจากค่าความต้านทานเชิงคาปาซิทีฟที่เป็นลบ (Xc = 1 / jωC) หักล้างกับค่าความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำที่เป็นบวก (XL = jωL) พอดี
• ค่าการสูญเสียการแทรกแบบ 2 พอร์ต (เช่น S21 dB) จะเป็นค่าสูงสุด ซึ่งสอดคล้องกับค่าต่ำสุดในกราฟความถี่เทียบกับ S21 dB
• มุมเฟส 2 พอร์ต (เช่น S21) จะเป็นศูนย์ โดยจะเปลี่ยนจากค่าลบที่ความถี่ต่ำเป็นค่าบวกที่ความถี่สูง

การวัดค่าใดๆ เหล่านี้สามารถนำมาใช้ในการกำหนดค่า SRF ของตัวเหนี่ยวนำได้

ความจุไฟฟ้าส่งผลต่อ SRF อย่างไร

ในอดีต ความจุของตัวเหนี่ยวนำเรียกว่า “ความจุระหว่างขดลวด” โดยอิงจากสมมติฐานที่ว่ามันเป็นผลมาจากการแยกประจุระหว่างขดลวดที่หุ้มฉนวน อย่างไรก็ตาม หากวัดตัวเหนี่ยวนำบนระนาบกราวด์ที่เป็นตัวนำ ความจุระหว่างขดลวดกับระนาบกราวด์ก็เป็นส่วนหนึ่งของการวัดด้วย ระยะห่างของขดลวดจากระนาบกราวด์ที่ใช้วัดและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพของวัสดุรองรับที่ใช้วัดจะมีผลต่อความจุต่อกราวด์ นี่เป็นคำอธิบายบางส่วนว่าอุปกรณ์ทดสอบมีผลต่อการวัด SRF อย่างไร สมการต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่า SRF เกี่ยวข้องกับความเหนี่ยวนำและความจุในวงจร LC อย่างไร

โดยที่

L คือค่าความเหนี่ยวนำในหน่วยเฮนรี และ

C คือค่าความจุในหน่วยฟารัด

จากสมการนี้ จะเห็นได้ชัดว่า การเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำหรือความจุจะทำให้ค่า SRF ที่วัดได้ลดลง และการลดค่าความเหนี่ยวนำหรือความจุจะทำให้ค่า SRF เพิ่มขึ้น

ผลกระทบของอุปกรณ์ยึดต่อการวัดค่า SRF

จำเป็นต้องใช้ฟิกซ์เจอร์ในการเชื่อมต่อตัวเหนี่ยวนำเข้ากับขั้วของเครื่องมือทดสอบ หลังจากทำการสอบเทียบและชดเชยฟิกซ์เจอร์แล้ว จะถือว่าผลกระทบจากฟิกซ์เจอร์ทั้งหมดถูกกำจัดออกไปจากการวัดแล้ว

การชดเชยฟิกซ์เจอร์ใช้มาตรฐานวงจรเปิดและวงจรลัด แต่ไม่สามารถคาดการณ์ปฏิสัมพันธ์ของตัวเหนี่ยวนำเฉพาะกับฟิกซ์เจอร์ทดสอบได้ ดังนั้น อาจมีค่าความจุตกค้างระหว่างตัวเหนี่ยวนำที่วัดได้กับฟิกซ์เจอร์หลังจากทำการสอบเทียบและชดเชยฟิกซ์เจอร์แล้ว ผลที่ได้คือ การวัดค่า SRF ของตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวกันอาจเปลี่ยนแปลงไปตามการผสมผสานของเครื่องมือและฟิกซ์เจอร์ที่แตกต่างกัน 

เพื่อแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของค่าความจุตกค้างจากฟิกซ์เจอร์ต่อค่า SRF รูปที่ 2 แสดงค่าความเหนี่ยวนำอนุกรมที่มีประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำแบบชิปขนาด 100 nH โดยใช้ AWR Microwave Office / Visual System Simulator 2002 การจำลองแบบจำลอง SPICE ที่แก้ไขแล้วแสดงให้เห็นถึงผลกระทบของค่าความจุเพิ่มเติม 0.01 pF ที่ต่อลงกราวด์ที่ขั้วอินพุต คำว่า “ค่าความเหนี่ยวนำประสิทธิผล” ถูกนำมาใช้เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำที่ความถี่ต่ำมีค่าเท่ากัน (100 nH) สำหรับทั้งสองรุ่น แต่ค่าความเหนี่ยวนำใกล้กับ SRF จะได้รับผลกระทบจากค่าความจุระหว่างตัวเหนี่ยวนำและอุปกรณ์ยึด

ผลกระทบของความจุตกค้างของอุปกรณ์เหนี่ยวนำจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นในตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าต่ำ ส่วนผลกระทบของความจุตกค้างของอุปกรณ์เหนี่ยวนำต่อตัวเหนี่ยวนำกำลังสูงนั้นมักจะน้อยมาก

จากรูปที่ 2 สามารถสรุปข้อสำคัญได้หลายประการดังนี้:

• ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในการออกแบบและการสอบเทียบอุปกรณ์จับยึด อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อค่า SRF ที่วัดได้
• ในบริเวณที่วัดค่า SRF ได้นั้น ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในการออกแบบและการสอบเทียบอุปกรณ์จับยึด อาจส่งผลให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำบวกขนาดใหญ่ หรือค่าความจุลบขนาดใหญ่ที่แตกต่างกันออกไป
• หากค่าความจุ (และค่าเหนี่ยวนำ) แฝงของแผงวงจรที่ต่อกับตัวเหนี่ยวนำนั้นแตกต่างจากอุปกรณ์ทดสอบ การวัดค่า SRF ของตัวเหนี่ยวนำที่ติดตั้งบนแผงวงจรก็จะแตกต่างกันด้วย
• เนื่องจากการวัดค่า SRF ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ยึด/พื้นผิว จึงไม่สามารถกำหนดค่า SRF "ทั่วไป" ได้เมื่อผลกระทบจากอุปกรณ์ยึดมีนัยสำคัญ

ความแตกต่างเล็กน้อยของค่าความจุส่งผลต่อค่า Q อย่างไร

รูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของความจุตกค้างของอุปกรณ์ต่อค่า Q ค่าที่แสดงคือค่า Q ของแบบจำลองตัวเหนี่ยวนำดั้งเดิมที่แสดงในรูปที่ 2 เมื่อเทียบกับค่า Q ของตัวเหนี่ยวนำเดียวกันที่มีความจุเพิ่มเติม 0.01 pF ต่อลงกราวด์ที่ขั้วอินพุต ที่ความถี่ต่ำ ความจุตกค้างของอุปกรณ์มีผลกระทบต่อค่า Q น้อยมาก แต่ที่ความถี่สูง ผลกระทบต่อค่า Q จะมีนัยสำคัญ ในตัวอย่างนี้ ความจุตกค้างเล็กน้อยต่อลงกราวด์ทำให้ค่า Q สูงสุดเลื่อนไป 132 MHz และลดลงในขนาด 23% ของค่าเดิม

การจำลอง SRF ที่ขึ้นอยู่กับพื้นผิว

การวัดค่า SRF ของตัวเหนี่ยวนำซ้ำสำหรับแผงวงจรแต่ละงานใหม่นั้นไม่สะดวกหรือใช้เวลานานสำหรับนักออกแบบวงจรอย่างแน่นอน มีวิธีที่ง่ายกว่าในการกำหนดค่า SRF ของตัวเหนี่ยวนำในงานเฉพาะ: การจำลองวงจร เรา

จะกำจัดผลกระทบจากอุปกรณ์จับยึดออกจากการวัดให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนที่จะสร้างแบบจำลอง SPICE และพารามิเตอร์ S ส่งผลให้ค่า SRF ของการวัดที่กำจัดผลกระทบแล้วสูงกว่าค่าที่วัดได้

อย่างไรก็ตาม ค่า SRF ที่กำจัดผลกระทบแล้วนั้นไม่ใช่ค่า SRF ที่แท้จริง ค่า SRF ที่แท้จริงของตัวเหนี่ยวนำใดๆ ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของแผงวงจรที่ติดตั้งอยู่เสมอ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ค่า SRF ขึ้นอยู่กับวัสดุรองรับ

ด้วยการนำคุณลักษณะและค่าความคลาดเคลื่อนของแผงวงจรมาใช้ในการจำลอง นักออกแบบวงจรสามารถเห็นผลกระทบที่มีต่อค่า SRF และคุณลักษณะทางไฟฟ้าอื่นๆ ทั้งหมด เช่น ค่าความเหนี่ยวนำ ค่า Q อิมพีแดนซ์อินพุต เฟส การสูญเสียการแทรก และการสูญเสียการสะท้อนกลับ ความรู้เหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบมีพื้นฐานที่ใช้งานได้จริงในการเปรียบเทียบตัวเหนี่ยวนำ และในที่สุดก็สามารถตอบคำถามได้ว่าตัวเหนี่ยวนำนั้นเหมาะสมกับการใช้งานหรือไม่