雜訊抑制濾波器指南

抗噪對策基礎 [第 4 課] 晶片鐵氧體珠

06/14/2011

在本篇及後續篇章中，我們將探討常見的抗噪元件。首個要介紹的元件是晶片型鐵氧體珠。這些珠子是製成晶片形狀的鐵氧體珠電感器，支援表面貼裝（SMD）。

<鐵氧體珠是一種穿有一根引線的鐵氧體珠。>

圖1所示為帶引線型鐵氧體珠電感器的形狀範例。其結構相當簡單，此種形狀的設計是將引線穿過由鐵氧體構成的珠體。此電感器並未像一般線圈那樣將引線纏繞其上，但當電流流經其引線時，鐵氧體珠內部便會產生磁通量。因此，鐵氧體珠便發揮了電感器的功能。順帶一提，此處使用的鐵氧體是由高頻下損耗較高的材料製成，因此在高頻範圍內，電流的能量會以鐵氧體損耗的形式消耗，從而能有效吸收雜訊。

<片式鐵氧體珠由層狀電感器結構組成。>

晶片狀鐵氧體珠是將這些鐵氧體珠電感器製成晶片而成的，圖 2 顯示了其典型結構。線圈圖案形成於鐵氧體坯料片層之間，並透過整合與燒結的製程，形成三維線圈結構。

透過將鐵氧體珠電感製成晶片，並在內部採用線圈結構，便能達到比僅有引線穿過珠體的引線型鐵氧體珠電感更高的阻抗。（實際上，部分晶片式鐵氧體珠僅有引線穿過珠體。）此結構基本上與多層式片式電感器相同，但與電感器的區別在於，所使用的鐵氧體材料更適合用於抑制雜訊。

圖 3 顯示了片式鐵氧體珠的阻抗頻率特性範例。其基本原理如下：與電感器相同，阻抗會隨頻率上升而成比例增加，因此將這些鐵氧體珠在電路中串聯，即可發揮低通濾波器的功能。對於一般電感器而言，阻抗（Z）值的主要特性是電抗分量（X）。另一方面，由於片式鐵氧體珠採用在高頻下損耗較高的鐵氧體材料，因此其高頻範圍內的主要特性則是電阻分量（R）。電抗分量不會伴隨損耗，但電阻分量則會。這意味著，相較於一般電感器，片式鐵氧體珠在吸收噪聲能量方面具有更佳的特性，能提供更強的噪聲抑制效果。

<可根據預定應用情境選擇適當的阻抗曲線。>

晶片鐵氧體珠向來是依據 100 MHz 頻率下的阻抗值進行標準化。然而，市面上仍有許多阻抗值相同的產品可供選擇。此舉旨在讓使用者能夠根據需求，選擇阻抗曲線的銳利程度。

圖 4 顯示了阻抗曲線變化的範例。BLM18AG601SN1 與 BLM18BD601SN1 均為片式鐵氧體珠，其阻抗值在 100 MHz 時皆為 600 Ω，但圖 4 顯示，BLM18BD601SN1 的阻抗曲線較為陡峭，而 BLM18AG601SN1 的曲線上升幅度則較為平緩。

對於阻抗曲線平緩上升的類型，其阻抗會在較低的頻率水準開始增加，因此能夠從極低頻到高頻的寬頻帶範圍內抑制雜訊。然而，若訊號頻率相對較高，該頻率也可能遭到衰減。相較之下，對於阻抗曲線陡升的類型，其阻抗僅在高頻範圍內增加，因此即使使用相對較高的訊號頻率，也能在不影響訊號的情況下抑制雜訊。因此，在選用晶片鐵氧體珠時，務必將訊號頻率與待抑制的雜訊頻率納入考量。

<透過改變內部結構，改善了高頻下的阻抗。>

圖 3 顯示了片式鐵氧體珠的阻抗頻率特性，從該圖可知，400-500 MHz 的頻率範圍形成了一道分界線，在此處阻抗值開始下降。這是由於片式鐵氧體珠結構所造成的影響。一般而言，電感器的阻抗會隨著頻率升高而持續增加。然而，如圖 5 所示，一般的片式鐵氧體珠內部存在某些區域，其繞組起點（入口）與繞組終點（出口）相距甚近。在該區域內會發生靜電耦合（即彷彿存在極微小電容的狀態），因此高頻電流會通過該區域，而電感器的阻抗影響便相對較小。在靜電耦合區域中，隨著頻率增加，電流往往更容易通過，因此頻率越高，視阻抗就越低。

為了解決這個問題，必須改變繞組起點與終點位置相鄰的結構。圖 6 展示了一個片狀鐵氧體磁珠的範例，其內部結構已進行變更，以改善高頻特性。一般而言，普通片狀鐵氧體磁珠的線圈圖案軸線是垂直的（所謂「垂直纏繞」），而高頻特性經過改良的片狀鐵氧體磁珠，其線圈圖案軸線則是水平的。因此，透過在線圈的起點與終點之間留出一定距離，阻抗開始下降的頻率便會顯著提高。