Ngày nay, các thiết bị thụ động hiện đại được cập nhật giúp bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm và giảm thiểu các tác động không mong muốn của nhiễu điện từ (EMI), còn gọi là nhiễu tần số vô tuyến (RFI), xuống mức chấp nhận được. Các phần tử thụ động đã phát triển cùng với những cải tiến trong công nghệ sản xuất và hiểu biết tốt hơn về vật lý cơ bản để hỗ trợ các nhu cầu của thiết bị điện tử hiện đại. Kết hợp với nhiều thiết bị điện từ khác nhau, các thiết bị thụ động cho phép các bộ xử lý, bộ nhớ và máy phát công suất cao (chủ động) tồn tại.

Nhiều kỹ sư thường xem các thiết bị thụ động như một sự lựa chọn cuối cùng. Họ chỉ chọn chúng từ danh sách các phần tử tiêu chuẩn. Thực tế này không thể đủ trong một thế giới đòi hỏi khắt khe của bộ khuếch đại tần số cao, bộ chuyển đổi dữ liệu hoặc các mạch đầy thách thức khác. Điều quan trọng là phải chọn các phần tử thụ động cần thiết để đạt được mức hiệu suất đã chỉ định. Trong bài báo này sẽ trình bày chi tiết cách chọn các phần tử thụ động phù hợp cho thiết kế của người dùng.

Tầm quan trọng của các phần tử thụ động

Các thiết bị thụ động, ví dụ như điện trở, cuộn cảm, tụ điện, hạt ferit và máy biến áp, không tạo ra năng lượng cũng như không cần nguồn điện để hoạt động. Theo định nghĩa đưa ra, chúng không khuếch đại tín hiệu điện và không thể điều khiển mạch. Các phần tử đó có thể làm suy yếu hoặc điều khiển tín hiệu, gây ra sự dịch pha hoặc tạo ra phản hồi.

Trái tim của bất kỳ hệ thống điện tử hiện đại nào là bảng mạch in (PCB) mang các đầu nối cũng như các phần tử thụ động và chủ động. Các thiết bị được kết nối thông qua các đường dẫn dẫn điện được nhúng vào vật liệu bảng mạch (vật liệu không dẫn điện như nhựa) hoặc được đặt trên bề mặt. Dưới đây là một số quy tắc thiết kế PCB cơ bản giúp giảm thiểu nhiễu và các tác động tiêu cực của chúng:

• Các đường tín hiệu phải càng mỏng càng tốt. Để giảm ghép nối điện dung, một nguồn nhiễu phổ biến, các đường dẫn phải có độ dày dưới 8 mm.
• Khoảng cách giữa các đường liền kề phải lớn hơn chiều rộng của các đường, nếu không, có thể xảy ra nhiễu xuyên âm đáng kể giữa chúng.
• Các khúc cua gấp, chẳng hạn như rẽ 90 độ, gây nhiễu và cần tránh.
• Nên tránh chạy bất kỳ dấu vết nào bên dưới bộ dao động.
• Vì tiếng ồn kỹ thuật số tần số cao do mạch kỹ thuật số tạo ra có thể gây ra lỗi trên tất cả các loại mạch, nên các thành phần kỹ thuật số và tương tự phải được tách biệt đủ.

Hầu hết các công cụ thiết kế PCB phổ biến sẽ chỉ ra các vi phạm các quy tắc đó và đưa ra các giải pháp thay thế.

Cách lựa chọn phần tử thụ động

• Điện trở
  Có thể nói rằng linh kiện thụ động phổ biến nhất là điện trở. Nó được sử dụng để khớp trở kháng và phân cực, có thể là điện trở quấn dây, dựa trên hợp chất cacbon hoặc điện trở màng. Ở tần số cao, điện trở quấn dây—về cơ bản là cuộn dây—trở thành điện cảm. Mặc dù điện trở màng bao gồm các vòng màng kim loại mỏng cũng trở thành điện cảm ở tần số cao, chúng vẫn có thể được sử dụng trong một số mạch tần số cao. Vì các đầu cực của điện trở song song với nhau nên chúng cũng tạo ra điện dung. Điện trở có trở kháng cao có thể có điện dung dường như tồn tại song song với điện trở của nó. Ở tần số cao, điện trở có giá trị cao có thể có trở kháng thấp hơn.

• Tụ điện
  Bản thân tụ điện lưu trữ năng lượng tĩnh điện dưới dạng điện tích trên hai hoặc nhiều tấm dẫn điện được ngăn cách bởi chất điện môi. Một kỹ sư thiết kế điện tử sử dụng tụ điện để lọc và tách rời tại các đường cung cấp và tín hiệu. Tuy nhiên, ở tần số cao, chúng cũng có xu hướng hoạt động kỳ lạ. Độ tự cảm và cộng hưởng ký sinh có thể xảy ra với tụ điện phân và tụ điện màng, do đó gây hại cho hiệu suất RF. Trên thực tế, chúng có thể gây ra điện trở nối tiếp tương đương (ESR) khi điện trở ký sinh kết hợp với điện trở của các tấm tụ điện. Để thực hiện việc loại bỏ gợn sóng và nhiễu, tụ điện tách phải có ESR thấp. Tụ điện gốm có kích thước tấm nhỏ hơn có độ tự cảm thấp hơn. Bên cạnh đó, chúng cung cấp độ ổn định trong các dải tần số cao và cung cấp giải pháp phù hợp để tách các mạch tích hợp. Một ví dụ điển hình về các tính năng này là dòng MLCC tần số cao WCAP-CSRF của Würth Elektronik có dải điện dung từ 0,20pf đến 33pF và định mức điện áp từ 25VDC đến 50VDC. Vì tụ điện nhôm/tantalum cấp chịu nhiệt độ cao, chẳng hạn như Tụ điện polyme nhôm H-Chip của Würth Elektronik, có đặc tính nhiệt độ và độ lệch ổn định, nên các thiết bị này hoạt động tốt để tách các đường cung cấp.

• Cuộn cảm
  Một loại thiết bị lưu trữ năng lượng khác là cuộn cảm, về cơ bản đây là một cuộn dây. Một cuộn cảm lý tưởng lưu trữ vô thời hạn và không bị mất nhiệt. Ngoài ra thiết bị này được gọi là thiết bị không tổn thất. Trên thực tế, cuộn cảm có các đặc điểm không lý tưởng. Mỗi dây có một điện trở riêng và khi các vòng dây chạm vào nhau, điện dung cộng hưởng ký sinh sẽ hình thành và giới hạn tần số trên. Một loại cuộn cảm rất ổn định về mặt nhiệt với hầu như không có sự thay đổi về độ tự cảm trong phạm vi nhiệt độ từ -40°C đến +120°C là loạt cuộn cảm nhiều lớp WE-MK của Würth Elektronik.

Kết luận

Sự ​​kết hợp đúng đắn giữa các phẩn chủ động và thụ động là chìa khóa để thiết kế hệ thống tốt. Sử dụng tụ điện được kết nối song song từ chân nguồn điện đến đất giúp giảm thiểu tiếng ồn. Các giá trị tụ điện khác nhau được đặt song song cho phép trở kháng AC thấp trên một dải tần số rộng. Vì ở tần số thấp hơn, tụ điện có giá trị lớn hơn tạo ra đường dẫn trở kháng thấp đến đất, nên có thể đạt được trở kháng thấp trên dải tần số bằng cách sử dụng các giá trị khác. Với sự cân nhắc hợp lý khi lựa chọn các phần tử thụ động và chủ động, có thể loại bỏ mọi phần tử ký sinh không cần thiết trong thiết kế tần số cao.