uSimmics (anciennement QucsStudio) permet d’extraire les paramètres du circuit équivalent d’un condensateur MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor) à partir de mesures S-paramètres réelles. Cet article explique comment exploiter les données d’un analyseur de réseau vectoriel pour modéliser les comportements non idéaux d’un condensateur CMS et obtenir des simulations de circuits haute précision.
- Ce que vous apprendrez
- 1. Condensateur idéal versus MLCC réel
- 2. Intérêt de l’extraction des paramètres du circuit équivalent
- 3. Mesure et acquisition des S-paramètres
- 4. Procédure de simulation dans uSimmics (anciennement QucsStudio)
- 5. Construction du circuit équivalent et extraction des paramètres
- 6. Récapitulatif des paramètres extraits
- 7. Applications du modèle de circuit équivalent
- 8. Conclusion
- Articles associés
Ce que vous apprendrez
- Les différences entre un condensateur idéal et un MLCC réel, ainsi que l’impact des composantes parasites
- La mesure des S-paramètres par VNA et l’export au format Touchstone
- L’importation des S-paramètres dans uSimmics (anciennement QucsStudio) et la procédure de simulation
- La construction du circuit équivalent (C, L, R) et l’extraction de ses paramètres étape par étape
- L’utilisation de la fonction Tune pour optimiser l’inductance et la résistance série
1. Condensateur idéal versus MLCC réel
Caractéristiques du condensateur idéal
Un condensateur idéal est entièrement défini par sa capacité C. Son impédance s’exprime par :
Z = 1 / (jωC) = 1 / (j × 2πf × C)
L’impédance diminue à mesure que la fréquence f augmente, atténuant les signaux haute fréquence.
Composantes parasites d’un MLCC réel
Un MLCC réel présente, en plus de sa capacité nominale, les composantes parasites suivantes :
| Composante parasite | Symbole | Origine | Effet |
|---|---|---|---|
| Inductance série équivalente | ESL (L) | Structure inductive des électrodes internes et des connexions | Comportement inductif au-dessus de la fréquence de résonance propre (SRF) |
| Résistance série équivalente | ESR (R) | Pertes diélectriques et résistance des électrodes | Augmentation des pertes à la résonance, dégradation du facteur Q |
Ces composantes parasites sont à l’origine d’une fréquence de résonance propre (SRF : Self Resonant Frequency). En dessous de la SRF, le composant se comporte comme un condensateur ; au-dessus, il se comporte comme une inductance.
Calcul de la SRF
SRF = 1 / (2π × √(L × C))
Au-delà de la SRF, la fonction de découplage ou de filtrage se dégrade significativement. Il est donc indispensable de vérifier la SRF lors du choix d’un composant pour des applications RF ou de découplage.
2. Intérêt de l’extraction des paramètres du circuit équivalent
La fiche technique d’un MLCC indique généralement les valeurs nominales de C, ESL et ESR. Cependant, les conditions d’implantation réelles (carte, empreinte, composants voisins) peuvent modifier ces caractéristiques par rapport aux valeurs du datasheet.
L’extraction et la modélisation des paramètres à partir de mesures S-paramètres réelles permettent de :
- Réaliser des simulations haute précision reflétant les conditions d’implantation réelles
- Prédire avec précision les caractéristiques des circuits de filtrage et de découplage
- Évaluer les dispersions entre lots de composants de production
3. Mesure et acquisition des S-paramètres
Composant utilisé
L’article s’appuie sur le composant suivant :
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Type | MLCC (condensateur céramique multicouche) |
| Capacité | 100 pF |
| Boîtier | 0,6 mm × 0,3 mm (standard 0201 pouces) |
Étape 1 : Mesure des S-paramètres par analyseur de réseau vectoriel
Utilisez un VNA (Vector Network Analyzer) pour mesurer les S-paramètres du condensateur.
- Monter le MLCC sur le gabarit de mesure (fixture)
- Calibrer le VNA (méthode SOLT ou équivalente) pour garantir la précision de la mesure
- Mesurer la caractéristique S12 (ou S21) dans la plage de fréquences 100 MHz à 3 GHz
- Exporter les données au format Touchstone (fichier .s2p)
Le format Touchstone est le format de fichier standard pour décrire les S-paramètres des composants RF. Il est directement supporté par uSimmics (anciennement QucsStudio).
4. Procédure de simulation dans uSimmics (anciennement QucsStudio)
Étape 2 : Création du schéma et importation des S-paramètres
- Lancer uSimmics (anciennement QucsStudio) et créer un nouveau schéma
- Depuis la bibliothèque « system components », placer un composant fichier S-paramètres (SPfile)
- Charger le fichier Touchstone mesuré (.s2p) dans le composant SPfile
- Connecter les ports de signal et la masse (GND) pour créer une configuration de ligne de transmission avec connexion à la masse en parallèle
Étape 3 : Exécution et observation de la simulation S-paramètres
- Placer un composant de simulation S-paramètres
- Régler la plage de fréquences de 100 MHz à 3 GHz
- Lancer la simulation et afficher S21 (transmission)
Comportement observé du condensateur :
- De 100 MHz à environ 1 GHz : l’atténuation augmente avec la fréquence (fonctionnement normal en mode condensateur)
- Au voisinage de la SRF : l’atténuation est maximale (résonance série, impédance minimale, signal dévié au maximum vers la masse)
- Au-dessus de la SRF : l’atténuation diminue (comportement inductif croissant, dégradation de la fonction condensateur)
Un condensateur idéal présente une atténuation monotone croissante avec la fréquence, alors qu’un MLCC réel change de comportement au-delà de sa SRF.
5. Construction du circuit équivalent et extraction des paramètres
Étape 4 : Création du circuit équivalent
Pour modéliser le comportement réel du condensateur, construire le circuit équivalent suivant :
Port1 ─── L1 ─── C1 ─── Port2
│
GND
Le détail des éléments est le suivant :
| Élément | Rôle | Composant dans uSimmics |
|---|---|---|
| C1 (condensateur) | Composante capacitive principale | Composant Capacitor (avec saisie ESR intégrée) |
| L1 (inductance) | ESL (inductance série équivalente) | Composant Inductor |
| R (résistance série) | ESR (résistance série équivalente) | Propriété résistance série du composant L1 |
Le composant condensateur d’uSimmics (anciennement QucsStudio) permet de saisir directement l’ESR. Le composant inductance dispose également d’une propriété de résistance série.
- Placer un composant Capacitor dans le schéma et régler C = 100 pF
- Connecter un composant Inductor en série
- Superposer les résultats de simulation du circuit équivalent et des S-paramètres mesurés sur un même graphe
Étape 5 : Optimisation de l’inductance avec la fonction Tune
Utiliser la fonction Tune d’uSimmics (anciennement QucsStudio) pour ajuster la valeur de l’inductance.
- Depuis le menu « Simulation » → « Tune », lancer la fonction Tune
- Sélectionner la valeur de l’inductance L1 comme paramètre à ajuster
- Déplacer le curseur pour faire varier L1 jusqu’à faire coïncider la fréquence de résonance (SRF) du circuit équivalent avec celle des S-paramètres mesurés
- Noter la valeur de L1 obtenue à la coïncidence
Pour le MLCC 100 pF de cet exemple, l’ajustement a conduit à L1 = 0,2739 nH, valeur pour laquelle la fréquence de résonance correspond aux mesures.
Étape 6 : Optimisation de la résistance série équivalente (ESR)
L’objectif est maintenant de faire correspondre la profondeur du creux de résonance (S21) entre mesure et simulation.
- Ouvrir les propriétés du composant L1 et saisir une valeur initiale d’ESR dans le champ « Résistance série »
- Pour un condensateur CMS, l’ESR se situe généralement entre 0,1 Ω et 0,2 Ω : utiliser cette plage comme point de départ
- Utiliser la fonction Tune pour ajuster l’ESR jusqu’à faire correspondre la profondeur du creux de résonance des S-paramètres mesurés
- Pour ce composant, ESR = 0,18 Ω donne un bon accord avec la mesure
6. Récapitulatif des paramètres extraits
Les résultats de l’extraction des paramètres du circuit équivalent du MLCC 100 pF sont les suivants :
| Paramètre | Symbole | Valeur extraite |
|---|---|---|
| Capacité | C | 100 pF (valeur nominale) |
| Inductance série équivalente | ESL (L) | 0,2739 nH |
| Résistance série équivalente | ESR (R) | 0,18 Ω |
| Fréquence de résonance propre | SRF | ≈ 1 / (2π × √(0,2739 nH × 100 pF)) ≈ 963 MHz |
Ce modèle de circuit équivalent permet de simuler avec une haute précision tout circuit incluant ce MLCC 100 pF.
7. Applications du modèle de circuit équivalent
Les paramètres extraits peuvent être exploités dans les contextes de conception et de simulation suivants :
- Conception de circuits de découplage : sélection optimale de la capacité et du boîtier en tenant compte de la SRF pour les condensateurs de découplage sur les alimentations
- Conception de filtres LC : prédiction précise des caractéristiques de transmission et de coupure
- Adaptation d’impédance en circuits RF : simulation haute précision de réseaux d’adaptation incluant des condensateurs CMS
- Analyse CEM : analyse des chemins d’émission CEM (EMI) avec circuit équivalent incluant les parasites
8. Conclusion
La fonction Tune d’uSimmics (anciennement QucsStudio) permet d’extraire avec précision les paramètres du circuit équivalent d’un MLCC (C, ESL, ESR) en comparant itérativement les résultats de simulation aux S-paramètres mesurés. L’intégration de ces paramètres dans un modèle de circuit équivalent ouvre la voie à des simulations haute précision reflétant les conditions réelles d’implantation, améliorant ainsi la fiabilité et la qualité de la conception de circuits.
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