Adaptación de inductores a aplicaciones críticas de circuitos de RF

Los circuitos de radiofrecuencia (RF) y microondas de aplicaciones como radares, imágenes por resonancia magnética (IRM), sistemas de comunicaciones y electrónica médica requieren componentes pasivos específicos para cada aplicación que sean precisos, estables y tengan bajas pérdidas. Estos requisitos son especialmente válidos para los inductores, que deben tener valores de inductancia estables con una variación mínima debida a la temperatura y la frecuencia. También deben preservar la integridad de la señal minimizando las pérdidas y evitando las frecuencias autorresonantes (SRF) dentro del ancho de banda de la aplicación.

Este artículo repasa los requisitos y características de los inductores para aplicaciones de RF. A continuación, se presentan los inductores de núcleo cerámico de alta calidad de Knowles que los diseñadores pueden utilizar para satisfacer las necesidades de sus aplicaciones de RF más exigentes.

Inductores en circuitos de RF

Los inductores son componentes reactivos pasivos que se oponen a los cambios de corriente almacenando energía en un campo magnético. Formados por una bobina de alambre, su construcción es relativamente sencilla, pero el alambre en espiral da lugar a varios elementos parásitos. El circuito equivalente de un inductor incluye la inductancia y la capacitancia del conductor, la resistencia de la bobina y la capacitancia entre espiras (Figura 1).

Figura 1: El circuito equivalente de un inductor incluye elementos parásitos de inductancia, capacitancia y resistencia. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El papel de los inductores en los circuitos de RF varía desde simples choques para aislar la CA de los componentes de la señal de CC hasta dispositivos finamente sintonizados en circuitos tanque y filtros. Funcionan en frecuencias de RF y microondas, donde para minimizar las reflexiones y las ondas estacionarias es necesario diseñar componentes con una capacitancia e inductancia parásitas pequeñas. En estas aplicaciones, también hay que tener en cuenta los efectos dependientes de la frecuencia, como el efecto piel y la radiación. Los inductores de RF manejan señales pequeñas en las que no se pueden tolerar pérdidas, por lo que requieren un factor de calidad (Q) elevado y una resistencia en serie equivalente (ESR) baja. Como resultado, las especificaciones de los inductores no solo incluyen la inductancia, la tolerancia y la potencia nominal, sino también varios requisitos específicos de RF, principalmente Q, SRF y ESR.

¿Qué es Q para los inductores?

Q es una cifra de mérito que indica lo cerca que está un inductor determinado de ser ideal. Un inductor ideal tendría una impedancia formada exclusivamente por reactancia inductiva. La corriente a través del inductor estaría noventa grados desfasada con respecto a la tensión aplicada. Un inductor real tiene elementos parásitos, como inductancia de fuga, capacitancia y resistencia (véase de nuevo la Figura 1). La resistencia se debe a la resistencia en serie del conductor, al efecto piel, a las pérdidas en el núcleo y a las pérdidas por radiación. La resistencia de CC (DCR) es la principal fuente de resistencia.

Q es un factor de mérito adimensional igual a la relación entre la reactancia inductiva de un inductor y su resistencia, según la ecuación Q =X_L/R= (2pfL)/R

Donde:

Q es el factor de calidad

X_L es la reactancia inductiva en ohmios (Ω)

f es la frecuencia en hercios (Hz)

L es la inductancia en henrios (H)

R es la ESR (Ω)

Q puede considerarse una medida de la pérdida de energía en el inductor en relación con la energía almacenada. Cuanto mayor sea Q, menor será la pérdida de energía y más ideal será el rendimiento del inductor. Q depende de la frecuencia debido a la reactancia inductiva y a los efectos piel resistivos (Figura 2).

Figura 2: Los gráficos de Q del inductor en función de la frecuencia muestran su dependencia de esta. (Fuente de la imagen: Knowles)

Para reducir las pérdidas, se debe maximizar Q y minimizar la resistencia en serie.

¿Qué es el SRF de un inductor de RF?

La SRF de un inductor de RF es la frecuencia a la que la inductancia, acoplada con las capacitancias parásitas paralelas, forma un circuito resonante paralelo. En el SRF, la impedancia del inductor se vuelve muy alta, comportándose como un circuito abierto. El inductor parece inductivo sólo hasta el SRF (Figura 3).

Figura 3: Un gráfico muestra que la inductancia en función de la frecuencia es plana hasta el SRF. (Fuente de la imagen: Knowles)

El SRF de un inductor es inversamente proporcional a su inductancia. Las inductancias más altas requieren un mayor número de espiras, y la capacitancia parásita del bobinado aumenta proporcionalmente, lo que se traduce en una menor SRF.

Definición de la ESR del inductor

La ESR de un inductor consta de dos partes: DCR y resistencia dependiente de la frecuencia. La resistencia dependiente de la frecuencia se debe al efecto piel, por el que, a altas frecuencias, la corriente que atraviesa un conductor no se distribuye uniformemente por toda la sección transversal del conductor, sino que tiende a concentrarse hacia la superficie exterior. El componente DCR es relativamente fácil de medir y suele figurar en las especificaciones del inductor. El efecto piel depende de la frecuencia y suele describirse como parte del gráfico Q que se muestra en la figura 2.

Inductores con núcleo cerámico de alta calidad para circuitos RF críticos

Para cumplir los requisitos de los circuitos de RF críticos para radares, resonancias magnéticas, sistemas de comunicaciones y electrónica médica, Knowles ha desarrollado la serie CL1008 de inductores cerámicos bobinados de alta calidad de montaje superficial. Estos inductores de alta fiabilidad están diseñados para funcionar en una amplia gama de frecuencias, proporcionando una alta integridad de la señal mediante una combinación de Q alto y pérdidas de señal reducidas.

Estos inductores constan de un núcleo cerámico no magnético que sirve de base a la bobina de alambre de cobre (Figura 4, arriba). También son muy compactas, ya que miden 0.115" × 0.110" × 0.08" (2.80 mm × 2.60 mm × 2.30 mm) (Figura 4, abajo).

Figura 4: La serie CL1008 de inductores de RF de alta Q utiliza un núcleo cerámico no magnético (arriba) y mide 0.115" × 0.110" × 0.08" (abajo). (Fuente de la imagen: Knowles)

El núcleo cerámico proporciona soporte al bobinado sin incurrir en pérdidas de potencia. Esto permite una estructura del dispositivo compatible con los procesos de montaje en superficie que sería difícil para un inductor con núcleo de aire.

La bobina está unida a las terminaciones inferiores de plata sinterizada con una barrera de cobre estañado. La cara superior del inductor presenta una superficie lisa, lo que lo hace compatible con las operaciones de pick-and-place.

Como en cualquier inductor de este tipo, la inductancia es proporcional al número de espiras de la bobina. Esta serie de inductores está disponible con inductancias que van de 12 nH a 10 mH, y corrientes nominales de 140 mA a 1000 mA a +85 °C y de 70 mA a 1000 mA a +125 °C. Su rango de temperatura de funcionamiento es de -55 °C a +125 °C, y cumplen la directiva RoHS y no contienen halógenos.

Aunque se dispone de varias tecnologías de fabricación para crear inductores cerámicos, incluidas las implementaciones de alambre bobinado, película y multicapa, el inductor de núcleo cerámico de alambre bobinado presenta algunas ventajas. En primer lugar, el bobinado inductor no está confinado en un paquete cerrado. Esto permite un mayor número de vueltas de alambre, lo que se traduce en una mayor gama de valores de inductancia alcanzables. Además, la sección transversal del conductor no está restringida por el proceso de impresión utilizado en los materiales de película y multicapa; por lo tanto, se pueden utilizar hilos más pesados, lo que aumenta la corriente nominal y reduce la resistencia. La resistencia reducida produce un Q más alto.

Aplicaciones de RF para inductor de núcleo cerámico

Un uso típico de los inductores de RF es en osciladores, como el oscilador Colpitts mostrado en la Figura 5.

Figura 5: Este oscilador Colpitts utiliza dos inductores de RF, uno como componente de sintonización (L1) y el otro como estrangulador (L2). (Fuente de la imagen: Art Pini)

Todos los osciladores utilizan la realimentación positiva para lograr la oscilación. En este ejemplo de oscilador Colpitts, la realimentación del colector a la base de Q1 se realiza a través de C3 desde un circuito tanque sintonizado formado por C1, C2 y L1. Forman una red pi que resuena a la frecuencia determinada por L1 y la combinación en serie de C1 y C2. L1 debe tener un Q alto para minimizar las pérdidas y reforzar la estabilidad de frecuencia.

El inductor L2 es una reactancia de RF. Permite el paso de CC, pero impide que la señal de salida pase a la fuente de alimentación. L2 debe tener un DCR bajo para limitar las pérdidas de tensión y una corriente nominal suficiente para alimentar el oscilador. El SRF de un inductor utilizado como obturador debe ser mucho mayor que la frecuencia de la señal de salida para asegurar que se comporta inductivamente a través de la banda de interés.

Los filtros de inductancia-capacitancia (LC) son otra aplicación habitual de los inductores de RF. Los filtros se suelen utilizar en serie entre las etapas de RF para dar forma a la banda de paso de la señal transmitida y limitar la energía fuera de banda (OOB), incluidos los armónicos y las interferencias electromagnéticas (EMI). A frecuencias de RF, los filtros pueden implementarse fácilmente mediante diseños LC porque la inductancia y la capacitancia requeridas son relativamente pequeñas, lo que permite formatos compactos.Los filtros se clasifican, según sus características de limitación de frecuencia, en filtros de paso bajo, paso alto, paso de banda (Figura 6) o rechazo de banda.

Figura 6: Un filtro pasabanda LC Butterworth de quinto orden utiliza cinco inductores (L1 a L5). (Fuente de la imagen: Art Pini)

Este filtro presenta una configuración Butterworth de quinto orden, por lo que utiliza cinco secciones LC para implementar la respuesta en frecuencia pasabanda. Los factores que afectan a la selección de inductores incluyen la inductancia y tolerancia del componente, SRF, Q y DCR.

El SRF de los inductores utilizados debe ser al menos diez veces superior a la banda de frecuencias del filtro para garantizar un comportamiento predecible del inductor. La Q debe ser lo más alta posible para garantizar la precisión del filtro. Se desea una DCR baja para minimizar la pérdida de potencia y el calentamiento interno.

El valor de inductancia y la tolerancia del inductor influyen en la respuesta en frecuencia del filtro, incluidas las frecuencias de esquina, y se seleccionan durante el proceso de diseño del filtro.

Ejemplos de inductores con núcleo cerámico de alto coeficiente Q

Los inductores con núcleo cerámico de alta calidad de la serie CL1008 de Knowles están diseñados para optimizar la integridad de la señal y la eficiencia en la amplia gama de frecuencias de RF y microondas. Por ejemplo, el CL1008-2124JQL1T-1 es un inductor de núcleo cerámico de 120 nH ±5% con un Q de 60 a 350 megahercios (MHz) y un SRF de 900 MHz. Su DCR es de 0.63 Ω, y tiene una capacidad nominal de 300 mA a 125 °C y 600 mA a 85 °C.

Inductancias más bajas, compatibles con frecuencias más altas, incluyen el CL1008-2123JQL1T-1, un inductor de 12 nH ±5% con un Q de 50 MHz a 500 MHz y un SRF de 3,300 MHz. La menor inductancia requiere menos vueltas y tiene una resistencia reducida, concretamente de 0.09 Ω en este caso, lo que da como resultado una corriente nominal máxima de 1m000 mA a +125 °C.

Al examinar el CL1008-2823JQL1T-1 y comparar sus especificaciones con las de los otros inductores, es evidente que existe una clara relación entre inductancia, SRF, Q y DCR. El CL1008-2823JQL1T-1 es un inductor de 82 nH ±5% con un Q de 60 a 350 MHz y un SRF de 1200 MHz. Su DCR es de 0.22 Ω, con una corriente máxima de 370 mA a 125 °C y 730 mA a 85 °C.

Por último, el CL1008-2474JQL1T-1 es un inductor de núcleo cerámico de 470 nH ±5% con un Q de 45 a 100 MHz y un SRF de 450 MHz. Su DCR es de 1.17 Ω, y sus valores máximos de corriente son 240 mA a 125 °C y 470 mA a 85 °C.

Es más fácil comparar la relación de los valores de Q entre diferentes inductancias volviendo a la figura 2. Observe que el pico Q disminuye al aumentar la inductancia.

Conclusión

Las inductancias de núcleo cerámico de Q alta de Knowles proporcionan a los diseñadores de circuitos de RF valores de inductancia estables, Q alta y ESR baja para aplicaciones de RF críticas que requieren una excelente integridad de la señal, mínimas pérdidas de potencia y una fiabilidad superior.