Adapter les inductances aux applications de circuits RF critiques

Les circuits radiofréquences (RF) et hyperfréquences utilisés dans les applications telles que les radars, l'imagerie par résonance magnétique (IRM), les systèmes de communication et l'électronique médicale requièrent des composants passifs spécifiques à l'application à la fois précis, stables et à faibles pertes. Ces exigences sont particulièrement vraies pour les inductances, qui doivent présenter des valeurs stables avec des variations minimales dues à la température et à la fréquence. L'intégrité des signaux doit également être préservée en minimisant les pertes et en évitant les fréquences propres (SRF) dans la bande passante de l'application.

Cet article passe en revue les exigences et les caractéristiques des inductances pour les applications RF. Il présente ensuite des inductances à noyau céramique à facteur Q élevé de Knowles que les concepteurs peuvent utiliser pour répondre aux besoins de leurs applications RF les plus exigeantes.

Inductances dans les circuits RF

Les inductances sont des composants réactifs passifs qui s'opposent aux variations de courant en stockant l'énergie dans un champ magnétique. Elles sont constituées d'une bobine de fil et présentent une conception relativement simple, mais fil enroulé entraîne plusieurs éléments parasites. Le circuit équivalent d'une inductance inclut l'inductance et la capacité des sorties, la résistance de la bobine et la capacité entre spires (Figure 1).

Figure 1 : Le circuit équivalent d'une inductance inclut des éléments parasites d'inductance, de capacité et de résistance. (Source de l'image : Art Pini)

Le rôle des inductances dans les circuits RF s'étend de simples selfs pour isoler les éléments de signaux CA des éléments de signaux CC à des dispositifs finement réglés dans les filtres et les circuits oscillants. Elles fonctionnent aux fréquences RF et hyperfréquences, où la minimisation des réflexions et des ondes stationnaires exige des conceptions de composants à faibles capacité et inductance parasites. Dans de telles applications, les effets dépendant de la fréquence, tels que l'effet pelliculaire et les rayonnements, doivent également être pris en compte. Les inductances RF traitent les petits signaux pour lesquels les pertes ne peuvent être tolérées, ce qui requiert un facteur de qualité (Q) élevé et une faible résistance série équivalente (ESR). Par conséquent, les spécifications des inductances incluent non seulement l'inductance, la tolérance et la puissance nominale, mais également plusieurs exigences RF spécifiques, principalement le facteur Q, la fréquence propre et la résistance série équivalente.

Le facteur Q pour les inductances

Le facteur Q est un facteur de mérite qui indique dans quelle mesure une inductance donnée se rapproche du modèle idéal. Une inductance idéale aurait une impédance composée exclusivement de réactance inductive. Le courant traversant l'inductance serait déphasé de 90 degrés par rapport à la tension appliquée. Une inductance réelle a des éléments parasites, notamment une capacité, une résistance et une inductance de fuite (Figure 1). La résistance est due à la résistance en série du conducteur, à l'effet pelliculaire, aux pertes dans le noyau et aux pertes par rayonnement. La résistance en courant continu (DCR) est la principale source de résistance.

Le facteur Q est un facteur de mérite sans dimension égal au rapport entre la réactance inductive d'une inductance et sa résistance, selon l'équation Q = X_L/R = (2pfL)/R

Où :

Q est le facteur de qualité

X_L est la réactance inductive en ohms (Ω)

f est la fréquence en hertz (Hz)

L est l'inductance en henrys (H)

R est la résistance série équivalente (Ω)

Le facteur Q peut être considéré comme une mesure de la perte d'énergie dans l'inductance par rapport à l'énergie stockée. Plus le facteur Q est élevé, plus la perte d'énergie est faible et plus les performances de l'inductance sont idéales. Le facteur Q dépend de la fréquence en raison de la réactance inductive et des effets pelliculaires résistifs (Figure 2).

Figure 2 : Les graphiques du facteur Q de l'inductance en fonction de la fréquence illustrent sa dépendance à la fréquence. (Source de l'image : Knowles)

Pour de faibles pertes, le facteur Q doit être maximisé et la résistance série minimisée.

La fréquence propre d'une inductance RF

La fréquence propre d'une inductance RF est la fréquence à laquelle l'inductance, couplée aux capacités parasites parallèles, forme un circuit résonant parallèle. À la fréquence propre, l'impédance de l'inductance devient très élevée, se comportant comme un circuit ouvert. L'inductance n'apparaît inductive que jusqu'à la fréquence propre (Figure 3).

Figure 3 : Graphique montrant que l'inductance en fonction de la fréquence est plate jusqu'à la fréquence propre. (Source de l'image : Knowles)

La fréquence propre d'une inductance est inversement proportionnelle à son inductance. Des inductances plus élevées requièrent un nombre accru de tours, et la capacité parasite de l'enroulement augmente proportionnellement, résultant en une fréquence propre plus faible.

Définir l'ESR d'une inductance

La résistance série équivalente (ESR) d'une inductance comprend deux parties : la résistance en courant continu et la résistance dépendant de la fréquence. La résistance dépendant de la fréquence est due à l'effet pelliculaire, selon lequel, à hautes fréquences, le courant traversant un conducteur n'est pas réparti uniformément sur toute la section transversale du conducteur, mais tend à se concentrer vers la surface extérieure. La résistance en courant continu est relativement facile à mesurer et est généralement indiquée dans les spécifications de l'inductance. L'effet pelliculaire dépend de la fréquence et est généralement décrit comme partie du graphique du facteur Q présenté à la Figure 2.

Inductances à noyau en céramique à facteur Q élevé pour circuits RF critiques

Pour répondre aux exigences des circuits RF critiques pour les radars, les systèmes IRM, les systèmes de communication et l'électronique médicale, Knowles a développé la série CL1008 d'inductances bobinées en céramique à facteur Q élevé et à montage en surface. Ces inductances extrêmement fiables sont conçues pour fonctionner sur une large gamme de fréquences et offrent une haute intégrité des signaux grâce à un facteur Q élevé et des pertes de signaux réduites.

Ces inductances sont constituées d'un noyau en céramique non magnétique qui sert de base à la bobine de fil de cuivre (Figure 4, en haut). Elles sont également très compactes, mesurant seulement 2,80 mm × 2,60 mm × 2,30 mm (Figure 4, en bas).

Figure 4 : La série CL1008 d'inductances RF à facteur Q élevé utilise un noyau en céramique non magnétique (en haut) et ne mesure que 2,80 mm × 2,60 mm × 2,30 mm (en bas). (Source de l'image : Knowles)

Le noyau en céramique fournit le support de l'enroulement sans engendrer de pertes de puissance. Cela permet une structure de dispositif compatible avec les procédés de montage en surface, une caractéristique difficile pour une inductance à noyau d'air.

La bobine est fixée aux terminaisons inférieures en argent fritté avec une barrière en cuivre étamé. La face supérieure de l'inductance présente une surface lisse, ce qui la rend compatible avec les opérations de placement automatisé.

Comme pour toute inductance de ce type, l'inductance est proportionnelle au nombre de tours dans la bobine. Cette série d'inductances est disponible avec des valeurs d'inductance s'étendant de 12 nH à 10 mH et des courants nominaux de 140 mA à 1000 mA à +85°C et de 70 mA à 1000 mA à +125°C. Leur plage de températures de fonctionnement est de -55°C à +125°C, et elles sont conformes à RoHS et sans halogène.

Bien que plusieurs technologies de fabrication soient disponibles pour créer des inductances en céramique, y compris les implémentations bobinées, à film et multicouches, l'inductance à noyau en céramique bobiné présente certains avantages. Tout d'abord, l'enroulement de l'inductance n'est pas confiné à un boîtier fermé. Cela permet d'obtenir un plus grand nombre de tours de fil, ce qui se traduit par une plus grande plage de valeurs d'inductance possibles. De plus, la section transversale du conducteur n'est pas limitée par le procédé d'impression utilisé dans les matériaux à film et multicouches. Par conséquent, des fils plus épais peuvent être utilisés, ce qui augmente l'intensité nominale et réduit la résistance. La résistance réduite entraîne un facteur Q plus élevé.

Applications RF des inductances à noyau en céramique

Les oscillateurs, tels que l'oscillateur Colpitts illustré à la Figure 5, constituent une application typique des inductances RF.

Figure 5 : Cet oscillateur Colpitts utilise deux inductances RF, l'une servant de composant d'accord (L1) et l'autre de self (L2). (Source de l'image : Art Pini)

Tous les oscillateurs utilisent une rétroaction positive pour atteindre l'oscillation. Dans cet exemple d'oscillateur Colpitts, la rétroaction du collecteur à la base de Q1 se fait via C3 à partir d'un circuit oscillant accordé formé par C1, C2 et L1. Ils forment un réseau en pi qui résonne à la fréquence déterminée par L1 et la combinaison en série de C1 et C2. L1 doit avoir un facteur Q élevé afin de minimiser les pertes et d'améliorer la stabilité de fréquence.

L'inductance L2 est une self RF. Elle laisse passer le courant continu, mais empêche le signal de sortie d'atteindre la source d'alimentation. L2 doit avoir une faible résistance en courant continu pour limiter les pertes de tension et une intensité nominale suffisante pour alimenter l'oscillateur. La fréquence propre d'une inductance utilisée comme self doit être beaucoup plus élevée que la fréquence du signal de sortie pour garantir un comportement inductif dans la bande d'intérêt.

Les filtres inductance-capacité (LC) sont une autre application RF courante pour les inductances. Les filtres sont généralement utilisés en série entre les étages RF pour façonner la bande passante du signal transmis et limiter l'énergie hors bande (OOB), y compris les harmoniques et les interférences électromagnétiques (EMI). Aux fréquences RF, les filtres peuvent être facilement implémentés à l'aide de conceptions LC, car l'inductance et la capacité requises sont relativement faibles, ce qui permet des facteurs de forme compacts. Les filtres sont classés selon leurs caractéristiques de limitation de fréquence : passe-bas, passe-haut, passe-bande (Figure 6) ou coupe-bande.

Figure 6 : Un filtre passe-bande LC de Butterworth du cinquième ordre utilise cinq inductances (L1 à L5). (Source de l'image : Art Pini)

Ce filtre présente une configuration Butterworth du cinquième ordre, c'est-à-dire qu'il utilise cinq sections LC pour implémenter la réponse en fréquence passe-bande. Les facteurs influençant le choix des inductances incluent l'inductance et la tolérance du composant, la fréquence propre, le facteur Q et la résistance en courant continu.

La fréquence propre des inductances utilisées doit être au moins dix fois supérieure à la bande de fréquences du filtre pour garantir le comportement prévisible de l'inductance. Le facteur Q doit être aussi élevé que possible pour garantir la précision des filtres. Une faible résistance en courant continu est souhaitable afin de minimiser les pertes de puissance et l'échauffement interne.

La valeur d'inductance et la tolérance de l'inductance ont un impact sur la réponse en fréquence du filtre, y compris les localisations de fréquence de bruit, et sont sélectionnées lors du processus de conception du filtre.

Exemples d'inductances à noyau en céramique à facteur Q élevé

Les inductances à noyau en céramique à facteur Q élevé série CL1008 de Knowles sont conçues pour optimiser l'intégrité et l'efficacité des signaux sur une large gamme de fréquences RF et hyperfréquences. Par exemple, le modèle CL1008-2124JQL1T-1 est une inductance à noyau en céramique de 120 nH ±5 % avec un facteur Q de 60 à 350 MHz et une fréquence propre de 900 MHz. Sa résistance en courant continu est de 0,63 Ω et elle est répertoriée pour 300 mA à 125°C et 600 mA à 85°C.

Les inductances plus faibles, compatibles avec des fréquences plus élevées, incluent le CL1008-2123JQL1T-1, une inductance de 12 nH ±5 % avec un facteur Q de 50 MHz à 500 MHz et une fréquence propre de 3300 MHz. L'inductance plus faible requiert moins de tours et présente une résistance réduite, précisément de 0,09 Ω dans ce cas, résultant en un courant nominal maximum de 1000 mA à +125°C.

En examinant le CL1008-2823JQL1T-1 et en comparant ses spécifications avec celles des autres inductances, on constate qu'il existe une relation claire entre l'inductance, la fréquence propre, le facteur Q et la résistance en courant continu. Le CL1008-2823JQL1T-1 est une inductance de 82 nH ±5 % avec un facteur Q de 60 à 350 MHz et une fréquence propre de 1200 MHz. Sa résistance en courant continu est de 0,22 Ω, avec un courant maximum de 370 mA à 125°C et de 730 mA à 85°C.

Enfin, le CL1008-2474JQL1T-1 est une inductance à noyau en céramique de 470 nH ±5 % avec un facteur Q de 45 à 100 MHz et une fréquence propre de 450 MHz. Sa résistance en courant continu est de 1,17 Ω et son courant nominal maximum est de 240 mA à 125°C et de 470 mA à 85°C.

Il est plus facile de comparer la relation des valeurs de facteur Q entre différentes inductances en se référant à la Figure 2. Notez que le facteur Q de crête diminue avec l'augmentation de l'inductance.

Conclusion

Les inductances à noyau en céramique à facteur Q élevé de Knowles offrent aux concepteurs de circuits RF des valeurs d'inductance stables, un facteur Q élevé et une faible résistance ESR pour les applications RF critiques exigeant une excellente intégrité des signaux, des pertes de puissance minimales et une fiabilité supérieure.