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Leitfaden für Rauschunterdrückungsfilter
Grundlagen der Rauschunterdrückung [Lektion 4] Chip-Ferritperlen
In diesem und den folgenden Teilen werden wir uns mit typischen Komponenten zur Rauschunterdrückung befassen. Das erste dieser Bauteile ist die Chip-Ferritperle. Dabei handelt es sich um Ferritperlen-Induktoren, die in Form von Chips hergestellt werden und die Oberflächenmontage (SMD) unterstützen.
<Eine Ferritperle ist eine Perle aus Ferrit, durch die ein Blei geführt wird.>
Ein Beispiel für die Form einer Ferritperlen-Induktivität mit Blei ist in Abb. 1 dargestellt. Es handelt sich um eine einfache Struktur, bei der eine Leitung durch die aus Ferrit bestehende Perle geführt wird. Bei dieser Spule ist die Leitung nicht wie bei einer normalen Spule um sie herumgewickelt, aber wenn Strom durch die Leitung fließt, wird im Inneren der Ferritperle ein magnetischer Fluss erzeugt. Dadurch wirkt die Ferritperle wie eine Induktivität. Der hier verwendete Ferrit wird übrigens aus Materialien hergestellt, die bei hohen Frequenzen einen hohen Verlust aufweisen, so dass im Hochfrequenzbereich die Energie des Stroms als Verlust im Ferrit verloren geht, wodurch Rauschen wirksam absorbiert werden kann.
<Chip-Ferritperlen bestehen aus einer geschichteten Induktorstruktur>.
Chip-Ferritperlen werden durch die Herstellung dieser Ferritperlen-Induktoren in Chips hergestellt, und Abb. 2 zeigt ihre typische Struktur. Zwischen den Schichten der Rohferritplatten werden Spulenmuster gebildet, und durch einen Prozess der Integration und des Brennens wird eine dreidimensionale Spulenstruktur erzeugt.
Durch die Herstellung der Ferritperlen-Induktoren als Chips und die Verwendung einer Spulenstruktur in ihrem Inneren ist es möglich, eine höhere Impedanz zu erreichen als bei Ferritperlen-Induktoren, die lediglich von einer Leitung durchzogen sind. (In Wirklichkeit haben einige Chip-Ferritperlen nur eine Leitung, die durch die Perle verläuft). Diese Struktur ist im Grunde die gleiche wie die einer mehrlagigen Chip-Induktivität, aber der Unterschied zu einer Induktivität besteht darin, dass das verwendete Ferritmaterial besser geeignet ist, Rauschen zu unterdrücken.
Abb. 3 zeigt ein Beispiel für die Impedanz-Frequenz-Charakteristik einer Chip-Ferrit-Perle. Das Grundprinzip ist wie folgt: Die Impedanz nimmt wie bei Induktivitäten mit steigender Frequenz zu, so dass diese Kügelchen durch Reihenschaltung in einer Schaltung als Tiefpassfilter wirken. Bei normalen Induktivitäten ist das Hauptmerkmal unter den Impedanzwerten (Z) die Reaktanzkomponente (X). Da für die Chipferritperlen jedoch Ferritmaterialien verwendet werden, die bei hohen Frequenzen einen hohen Verlust aufweisen, ist die Haupteigenschaft im Hochfrequenzbereich die Widerstandskomponente (R). Die Reaktanzkomponente ist nicht mit Verlusten verbunden, die Widerstandskomponente hingegen schon. Das bedeutet, dass Chipferritperlen im Vergleich zu herkömmlichen Drosseln bessere Eigenschaften für die Absorption von Rauschenergie haben und eine höhere Rauschunterdrückungswirkung bieten.
<Die Impedanzkurve kann entsprechend der vorgesehenen Anwendung gewählt werden.>
Chip-Ferritperlen sind üblicherweise durch den Impedanzwert bei einer Frequenz von 100 MHz genormt. Es gibt jedoch viele verschiedene Produkte mit demselben Impedanzwert. Dies dient dem Zweck, die Schärfe der Impedanzkurve auswählen zu können.
Abb. 4 zeigt ein Beispiel für Kurvenvariationen. Sowohl der BLM18AG601SN1 als auch der BLM18BD601SN1 sind Chipferritperlen, die einen Impedanzwert von 600Ω bei 100 MHz haben, aber Abb. 4 zeigt, dass der BLM18BD601SN1 eine schärfere Impedanzkurve hat, während der BLM18AG601SN1 eine sanfter ansteigende Kurve aufweist.
Bei dem Typ, dessen Impedanzkurve sanft ansteigt, beginnt die Impedanz bei einer niedrigeren Frequenz anzusteigen, so dass Rauschen über ein breites Frequenzband von den sehr niedrigen bis zu den hohen Frequenzen unterdrückt werden kann. Wenn jedoch die Signalfrequenz relativ hoch ist, kann auch diese Frequenz gedämpft werden. Im Gegensatz dazu steigt bei dem Typ, dessen Impedanzkurve stark ansteigt, die Impedanz nur im Hochfrequenzbereich an, so dass selbst bei Signalen mit einer vergleichsweise hohen Frequenz das Rauschen unterdrückt werden kann, ohne die Signale zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist es wichtig, bei der Auswahl der Chipferritperlen die Signalfrequenz und die Frequenz des zu unterdrückenden Rauschens zu berücksichtigen.
<Die Impedanz bei hohen Frequenzen wird durch Veränderung der inneren Struktur verbessert>.
Abb. 3 zeigt die Impedanz-Frequenz-Charakteristik von Chip-Ferrit-Perlen, und diese Abbildung zeigt, dass der Frequenzbereich von 400-500 MHz eine Grenze bildet, an der der Impedanzwert abzufallen beginnt. Dies ist auf die Auswirkungen der Chip-Ferritperlenstruktur zurückzuführen. Grundsätzlich gilt, dass die Impedanz einer Induktivität mit steigender Frequenz zunimmt. Reguläre Chipferritperlen haben jedoch Bereiche in ihrem Inneren, in denen der Anfang der Wicklung (Eingang) nahe am Ende der Wicklung (Ausgang) liegt, wie in Abb. 5 dargestellt. In einem solchen Bereich kommt es zu elektrostatischer Kopplung (ein Zustand, in dem extrem kleine Kondensatoren vorhanden zu sein scheinen), so dass der Hochfrequenzstrom durch ihn hindurchfließt und die Impedanz der Spule weniger Einfluss hat. In Bereichen mit elektrostatischer Kopplung wird der Strom mit zunehmender Frequenz tendenziell leichter durchgelassen, so dass die scheinbare Impedanz mit steigender Frequenz abnimmt.
Um dieses Problem zu lösen, muss die Struktur, bei der die Wicklungsanfänge und -enden dicht beieinander liegen, verändert werden. Abb. 6 zeigt ein Beispiel für eine Chipferritperle, deren innere Struktur zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften verändert wurde. Während bei normalen Chipferritperlen die Achse des Spulenmusters senkrecht verläuft (sog. "vertikale Wicklung"), verläuft die Achse des Spulenmusters bei Chipferritperlen mit verbesserten Hochfrequenzeigenschaften horizontal. Daher wird durch einen gewissen Abstand zwischen dem Anfang und dem Ende der Spulenwicklung die Frequenz, bei der die Impedanz zu sinken beginnt, deutlich erhöht.
Chipferritperlen gibt es in vielen anderen Variationen - einige unterstützen hohe Ströme, andere haben kompakte Abmessungen - und diese Vielfalt ermöglicht es den Benutzern, die für die jeweiligen Anwendungen optimal geeigneten Perlen auszuwählen.
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