挿入損失とフィルタコンデンサの性能の概要

アンソニーケニーによって。コンデンサは、不要な信号を除去するためにアナログ回路とデジタル回路の両方で使用されます。コンデンサまたはフィルタリング回路のフィルタリング性能は、一般的に挿入損失の観点から説明されます。フィルタリング回路の挿入損失性能に大きな影響を与える要因には、フィルタリング要素の構成、インピーダンス、負荷電流などがあります。

回路内のEMIのフィルタリング
自然および人工の電気的障害は、電子回路の性能に大きな影響を与える可能性があります。これらの不要な信号は、まとめて電磁干渉（EMI）と呼ばれます。フィルタリング回路は、これらの不要な信号を排除するために、ほとんどのアナログおよびデジタル回路で使用されています。これらの信号の最も一般的なソースには、照明、嵐、降水量、電力線、モーター、点火システム、レーダー送信機、パワーアンプ、コンピュータークロック、宇宙ソースなどがあります。

フィルタリング回路の要素の構成は、そのフィルタリング性能を大きく左右します。一般にCフィルタとして知られている最も単純なフィルタリング構成は、単一のフィードスルーコンデンサで構成されています。フィルタリング回路の性能は、容量性要素と誘導性要素の組み合わせを使用することによって改善されます。最も一般的な構成には、L-C、T、およびPi構造が含まれます。容量性要素と誘導性要素の数を増やすと、フィルタリング回路のパフォーマンスが向上します。

注目の画像：さまざまなフィルタートポロジの挿入損失チャート。出典： S。ネルソン、ミディアム

コンデンサと回路の挿入損失特性
EMIフィルタリング用のコンデンサを選択する際に考慮すべき重要な要素の1つは、その挿入損失特性です。このパラメータは通常、フィルタを追加する前後の電圧の比率として定義されます。基本回路では、フィルタリングコンポーネントを挿入する前後で得られた電圧の値を除算して得られます。このパラメータは、フィルタリング回路の減衰レベルを大きく左右します。回路またはコンポーネントの挿入損失性能は、通常、デシベルで表されます。

通常のコンデンサは、挿入損失性能特性が良くありません。固有のインダクタンスが存在すると、不要な電気的障害を接地する能力が低下します。この残留インダクタンスは、電極の長さが長くなるにつれて増加します。また、電極が狭いほどインダクタンス量が大きくなります。この不要なインダクタンスを減らし、コンデンサのフィルタリング性能を向上させるには、これらのパッシブコンポーネントのアーキテクチャを変更する必要があります。コンデンサのアーキテクチャを変更し、3番目の端子を追加すると、残留インダクタンスを最小限に抑えることができます。フィルタリングアプリケーションに広く使用されている特殊なクラスの容量性素子であるフィードスルーコンデンサは、この変更されたアーキテクチャに基づいています。

2端子のコンデンサでは、部品のリードがインダクタとして動作するため、残留インダクタンスが高くなります。 3番目の端子を導入すると、容量性コンポーネントと直列のインダクタンスコンポーネントを減らすのに役立ちます。これにより、コンデンサの挿入損失特性が大幅に向上します。この残留インダクタンスを低減することにより、フィルタリングコンデンサの自己共振周波数が向上します。

フィードスルーコンデンサは、並外れた挿入損失性能を提供するように特別に設計されています。これらのコンデンサは、EMI抑制およびバイパスアプリケーションに広く使用されています。今日のフィルタリング回路で使用されているセラミックフィードスルーコンデンサの最も一般的な設計は、円盤状および管状のコンデンサです。プラスチックフィルムフィードスルーコンデンサは、高い信頼性が要求されるアプリケーションで一般的に使用されています。

周波数による挿入損失の変動
理想的なコンデンサと実際のコンデンサの挿入損失特性は、わずかに異なります。理想的なコンデンサの挿入損失は、周波数の増加とともに増加します。それに比べて、実際のコンポーネントの挿入損失は、特定のレベルまで周波数とともに増加します。このレベルは、自己共振周波数として知られています。このレベルを超えると、実際のコンポーネントの挿入損失は周波数の増加とともに減少します。

共振周波数より高い周波数では、残留インダクタンスが一定に保たれていれば、フィルタの挿入損失性能は変化しません。これらの条件下でコンポーネントの静電容量を増減しても、挿入損失には影響しません。これは、高周波でのノイズ抑制には、自己共振周波数の高いコンデンサが必要であることを意味します。このようなアプリケーションには、残留インダクタンスが小さいコンポーネントを使用する必要があります。

挿入損失のパフォーマンスを決定する要因
回路またはコンポーネントの挿入損失性能は、多くの要因によって決まります。主な要因のいくつかは、電気的構成、負荷電流、ソースインピーダンス、負荷インピーダンス、接地インピーダンス、コンポーネントの誘電体材料の特性、およびシールドの完全性です。

コンポーネントの構成
単一の要素を使用して不要な信号を除去できますが、ほとんどのフィルタリング回路は容量性コンポーネントと誘導性コンポーネントの組み合わせを使用します。構成の選択は、主に、必要な挿入損失のパフォーマンスによって決まります。最も一般的な構成には、C、C-L、L-C、Pi、およびTが含まれます。下の図を参照してください。

理論的には、単一要素フィルターは10年ごとに20dBの挿入損失をもたらし、2要素フィルターは10年ごとに40dBをもたらします。 3つ以上の要素で回路をフィルタリングすると、挿入損失のパフォーマンスがさらに向上します。複数の容量性および誘導性要素を備えたフィルタリング回路は、高度なフィルタリング性能が要求される回路で使用されます。実際の挿入損失性能は、使用するコンポーネントの実際の特性によって決まります。この情報は通常、データシートで提供されます。フィルタリング回路の構成を選択するときは、ソースインピーダンスと負荷インピーダンスを考慮することが重要です。

負荷電流
挿入損失に対する負荷電流の影響は、使用するフィルタリング要素の特性によって大きく異なります。誘導素子を使用したフィルタリング回路の場合、フェライトインダクタを使用すると挿入損失が低下する可能性があります。この効果の程度は、フェライト材料の特定の特性によって異なります。

回路インピーダンス
フィルタリング回路の挿入損失性能は、ソースインピーダンスと負荷インピーダンスに大きく依存します。この性能は通常、容量性および誘導性要素の適切な構成を選択することによって最適化されます。

結論
コンデンサは、不要な信号を除去するためにアナログ回路とデジタル回路の両方で使用されます。コンデンサまたはフィルタリング回路のフィルタリング性能は、一般的に挿入損失の観点から説明されます。フィルタリング回路の挿入損失性能に大きな影響を与える要因には、フィルタリング要素の構成、インピーダンス、負荷電流などがあります。

従来のコンデンサは、良好な挿入損失性能をもたらさず、より優れた性能が必要な場合は、3端子コンポーネントが使用されます。最適な挿入損失性能のために、複数の容量性および誘導性要素で構成されるフィルタリング回路が使用されます。