Elektronische Bauteile weisen Unterschiede zwischen ihren idealen und tatsächlichen Eigenschaften auf. Diese Unterschiede resultieren aus parasitären und resistiven Komponenten, die in realen Bauteilen vorhanden sind. Zum Beispiel behält ein idealer Kondensator seine Kapazität unabhängig von der Frequenz bei, während ein realer Kondensator parasitäre Induktivitäten und Widerstände aufweist, die seine Eigenschaften verändern können.
Diese Unterschiede sind beim Entwurf elektronischer Schaltungen von großer Bedeutung. Da nicht-ideale Eigenschaften die Funktion der gesamten Schaltung unerwartet beeinflussen können, ist es für eine präzise Simulation und ein zuverlässiges Design unerlässlich, das Verhalten dieser Bauteile genau zu modellieren und vorherzusagen.
In diesem Artikel wird erklärt, wie man mit QucsStudio die Ersatzschaltkreisparameter eines Chipkondensators bestimmt. Wenn Sie diese Technik beherrschen, können Sie die Simulationsgenauigkeit verbessern und die Zuverlässigkeit Ihres Schaltungsentwurfs weiter erhöhen.
Schritt 1: Gewinnung der S-Parameter eines realen Bauteils
Zunächst messen wir die Eigenschaften eines realen Bauteils. In diesem Beispiel verwenden wir einen 100pF-MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor) mit den Abmessungen 0,6×0,3mm.
- Messung der S12-Eigenschaften: Mit einem Netzwerkanalysator messen wir den Impedanzverlauf des Kondensators über verschiedene Frequenzen. Diese Messung ermöglicht es, das tatsächliche Verhalten des Kondensators detailliert zu erfassen.
- Import der Daten: Die gemessenen Daten werden als S-Parameter-Datei im Touchstone-Format exportiert und in QucsStudio importiert. Dadurch können die gewonnenen Messdaten in der Simulation genutzt werden.
Schritt 2: Überprüfung der S-Parameter
Die erfassten S-Parameter werden in QucsStudio angezeigt, und auf deren Basis wird eine Schaltung mit einer Übertragungsleitung und einem Erdungspunkt (GND) parallel dazu erstellt.
1.Erstellung des Ersatzschaltkreises eines realen Bauteils: Öffnen Sie QucsStudio und erstellen Sie ein neues Schaltbild. Wählen Sie aus der Bibliothek „system components“ das S-Parameter-Bauteil und erstellen Sie die folgende Schaltung.
2.Ausführung der S-Parameter-Simulation: Führen Sie eine S-Parameter-Simulation im Bereich von 100MHz bis 3GHz durch.
Die Impedanz eines Kondensators wird durch die folgende Formel beschrieben. Das bedeutet, je größer die Frequenz f, desto geringer die Impedanz, was zu einer Dämpfung des Signals führt.
Allerdings zeigt die Betrachtung der gemessenen S-Parameter, dass die Dämpfung bis 1GHz wie erwartet zunimmt, darüber hinaus jedoch abnimmt. Dies verdeutlicht die Unterschiede zwischen den idealen und realen Eigenschaften des Kondensators.
Schritt 3: Erstellung des Ersatzschaltkreises
Die Unterschiede zu den idealen Eigenschaften des realen Bauteils resultieren aus der Existenz von Induktivitäts- und Widerstandskomponenten. Gehen Sie wie folgt vor, um einen Ersatzschaltkreis mit diesen Komponenten zu erstellen.
Erstellung des Ersatzschaltkreises eines realen Bauteils: QucsStudio bietet die Möglichkeit, Widerstandskomponenten direkt in den Kondensatorkomponenten zu definieren. Induktivitätskomponenten werden durch das Hinzufügen von entsprechenden Bauteilen in den Ersatzschaltkreis integriert.
Mit diesem Ersatzschaltkreis können die Induktivitäts- und Widerstandswerte so angepasst werden, dass das Modell die gleichen Eigenschaften wie das reale Bauteil aufweist.
Schritt 4: Überprüfung und Analyse der Ergebnisse
Mit der Tune-Funktion in QucsStudio kann der Induktivitätswert so angepasst werden, dass er den Frequenzeigenschaften des realen Bauteils entspricht.
Am Graphen lässt sich der Punkt identifizieren, an dem die Resonanz übereinstimmt, was einen Induktivitätswert von 0,2739pF ergibt.
Anschließend wird der Widerstandswert ermittelt. Öffnen Sie die Eigenschaften der L1-Komponente durch Doppelklick und geben Sie den Wert des Serienwiderstands ein.
Für Chipkondensatoren wird üblicherweise ein Wert zwischen 0,1 und 0,2Ω eingestellt. In diesem Fall wurde ein Wert von 0,18Ω gewählt, der die Eigenschaften des realen Bauteils nahezu genau nachbildet. Wie bei der Anpassung der Induktivitätswerte kann auch hier die Tune-Funktion verwendet werden, um die Widerstandswerte zu optimieren.
Zusammenfassung
Mit QucsStudio konnten die Ersatzschaltkreisparameter eines Chipkondensators extrahiert werden.
Diese Methode ermöglicht ein präzises Verständnis des Verhaltens von Komponenten und führt zu zuverlässigeren Schaltungsentwürfen. Durch die Nutzung dieser Technik können auf realen Messdaten basierende präzise Simulationen durchgeführt und die Designqualität verbessert werden.
Ich hoffe, dass dieser Leitfaden Ihnen hilft, Ihre Fähigkeiten im elektronischen Schaltungsdesign und in der Simulation zu verbessern.
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