> ראשי / 17. תכנון מעגלים ל- EMC / התנהגות נגדים בתדר

התנהגות נגדים בתדר

רכיב שבו נעשה שימוש נרחב במעגלים מודפסים הוא הנגד. עם זאת, לעיתים נדירות בלבד אנו מתעכבים על אופן התנהגותו כאשר יוצאים מעולם הזרם הישר (DC) אל תחום התדרים הגבוהים. בנגד, ההתנגדות הקבועה נשמרת רק עד לתדר מסוים; מעבר לתדר זה, התנהגותו משתנה. 

המודל של נגד לא אידיאלי כתלות בתדר מוצג באמצעות מעגל תמורה, והוא מתאר את השינויים בהתנגדות בהתאם לתדר הפועל.

התנהגות נגד בתלות לתדר

עם עליית התדר, עכבת הנגד נותרת דומה לזו של נגד אידיאלי — קבועה ואיננה תלויה בתדר. התנהגות זו נשמרת עד הגעה לתדר מסוים, שמעבר לו הנגד מתחיל לחרוג מהתנהגותו האידיאלית. בתדרים גבוהים יותר, הוא מפסיק להתנהג כנגד ומתחיל לנהוג כמו קבל — עכבתו הולכת ויורדת בקצב של ‎-20dB ל- decade.

נקודת המעבר בתדר, שבה מתחילה ירידת העכבה, ניתנת לחישוב באמצעות המשוואה הבאה:

ככל שהתדר עולה ומגיע לנקודה שבה הקבל והסליל הפרזיטיים נכנסים למצב תהודה, מתקבלת עכבה שהיא התנגדות טהורה — אך קטנה מההתנגדות הנומינלית של הנגד עצמו.

מעבר לנקודת תהודה זו, עם המשך עליית התדר, הנגד מתחיל להתנהג כסליל, ועכבתו הולכת וגדלה בקצב של ‎+20dB ל- decade.

גרף עכבה של נגד לא אידיאלי כפונקציה של תדר

הגרף שלפנינו מתאר את השינוי בעכבה (Zin) של נגד לא אידיאלי כפונקציה של התדר.  בנגדים אמיתיים – להבדיל מנגד אידיאלי – קיימים רכיבים פרזיטיים של קיבול ו־השראות, אשר משפיעים על התנהגות הנגד בתדרים גבוהים. באופן אידיאלי, היינו מצפים שהיחס יהיה קבוע ושווה לערך הנגד לאורך כל תחום התדרים.  בפועל, ניתן לראות כי בתדרים נמוכים היחס שומר על ערך קבוע, אך ככל שהתדר עולה – מתרחשת סטייה מהערך הרצוי:

• תחילה עשויה להופיע ירידה עקב השפעת קיבול פרזיטי (Zin < R)

• לאחר מכן, עלייה חדה בעכבה – עקב השפעת השראות פרזיטית  (  Zin > R)

סוגי נגדים

קיימים סוגים רבים של נגדים, כאשר לכל סוג יתרונות וחסרונות משלו. (אם ברצונך ללמוד על סוגים השונים של נגדים, ממליץ על האתר כאן) 

במאמר זה נתמקד בנגדי SMT המיועדים לעבודה בתדרים גבוהים.  

השפעות פרזיטיות בנגדים בתדר גבוה

השפעת הקיבול הפרזיטי בנגדים גוברת ככל שתדר העבודה עולה, והיא עשויה לגרום לעיוות של עד כ־33% מערך ההתנגדות הנומינלי של הנגד שהינו שינוי מאוד משמעותי במיוחד במעגלים רגישים לתדר. 

מה המשמעות של השפעה זו בפועל?  

נניח שבמעגל מודפס תוכנן קו תמסורת בעל עכבה של 50Ω, ותואם באמצעות נגד. אם במקום להשתמש בנגד המיועד לעבודה בתדרים גבוהים, נעשה שימוש בנגד סטנדרטי – הרי שבתדרים גבוהים תתרחש סטייה מערך ההתנגדות הרצוי. בפועל, עקב השפעת הקיבול הפרזיטי, ערך הנגד האפקטיבי עלול לרדת לכ־33Ω בלבד.  כתוצאה מכך, תתרחש אי-התאמה (Mismatch) בקו התמסורת, מה שיוביל לעיוותים באות, החזרים (Reflections) ואף לבעיות חמורות של קרינה אלקטרומגנטית (Radiated Emissions), שעלולות להפריע לפעולת רכיבים אחרים או אפילו להפר תקני תאימות אלקטרומגנטית (EMC)

נגדים לתדר גבוה

בפסקה זו ננתח את התנהגותו של נגד לתדרים גבוהים מתוצרת Vishay, מדגם  FC0402EXXX, המיועד לעבודה בתדרים של עד 40GHz. מדובר בנגד SMT (Surface Mount Technology) בגודל אריזה 0402, הבנוי על מצע של אלומינה טהורה (Purity Alumina Substrate). חומר זה מעניק לנגד תכונות חשמליות מצוינות, במיוחד בכל הקשור לקיבול פרזיטי והשראות פרזיטית נמוכים במיוחד – תכונות חיוניות לביצועים מיטביים במעגלים הפועלים בתדרים גבוהים.

מבנהו הפיזי הקומפקטי יחד עם החומרים המוליכים והדיאלקטריים שנבחרו בקפידה מאפשרים לנגד זה לשמור על עכבה יציבה, הפחתת החזרים (Reflections), ומזעור עיוותים באות גם בתחום גיגהרץ רחב. יתרונות אלו הופכים אותו לבחירה אידיאלית ליישומים כמו מעגלי RF, תקשורת מהירה, ומערכות מיקרוגל.

ניתוח גרף העכבה בתלות בתדר

נתבונן בגרף המתאר את העכבה של הנגד כפונקציה של התדר. הציר האופקי (X) מייצג את התדר העובר דרך הנגד, ואילו הציר האנכי (Y) מציג את היחס בין העכבה האמיתית של הנגד – Zin – לבין ערך ההתנגדות הנומינלי שלו – R. ערך של "1" בגרף מציין שעכבת הנגד בפועל זהה לערכו הנומינלי. כל סטייה מעלה או מטה מערך זה משקפת שינוי בעכבה האמיתית לעומת הערך שתוכנן.

לצורך הדוגמה, נניח שנבחר נגד בעל ערך של 50Ω, כלומר: R = 50Ω.  במהלך עליית התדר (לאורך הציר האופקי), אנו רואים כי עד לתדר של f = 7GHz, היחס Zin/R נשאר יציב ושווה ל־1 – כלומר, עכבת הנגד בפועל שומרת על ערך של 50Ω. אולם, מעבר ל־7GHz מתחילה סטייה ביחס – הערך של Zin/R עולה מעל 1. משמעות הדבר היא שעכבת הנגד בפועל גבוהה מ־50Ω. 

לדוגמה, בתדר של 40GHz, היחס מגיע לערך של 1.7, כלומר עכבת הנגד היא Zin = 85Ω – סטייה משמעותית מהערך המקורי.

המשמעות התכנונית

אם הנגד המדובר נבחר לשמש כנגד תיאום בקו שעון בתדר של 40GHz, שתוכנן לעכבה של 50Ω, אזי בפועל הקו אינו מתואם. תוצאה זו תוביל להחזרים (Reflections) של אות השעון, העלולים לגרום לעיוותים, ירידה באמינות הסיגנל, ואף לקרינה אלקטרומגנטית בלתי רצויה (Radiated Emissions) ממעגל השעון. לכן, בעת תכנון מעגלים במהירויות גבוהות ובתדרים של גיגה־הרץ רבים, יש לבדוק בקפידה את מאפייני הנגד בתדר העבודה בפועל, ולא להסתמך רק על ערכו הנומינלי ב־DC.

לסיכום

תעשיית האלקטרוניקה המודרנית ממשיכה לדחוף את גבולות הביצועים, ודורשת מיצרני רכיבים פסיביים לפתח נגדים, קבלים וסלילים שמסוגלים לפעול בצורה אמינה בתדרים הולכים וגדלים.
במצב זה, התכנונים המסורתיים של רכיבים פסיביים מגיעים לקצה גבול היכולת הפיזיקלית שלהם, ולעיתים אף מעבר לכך. על רקע זה, חשוב להדגיש כי להבנת תופעות פרזיטיות – כגון קיבול והשראות בלתי רצויים – יש השפעה מכרעת על תפקוד הנגדים במעגלים עתירי תדר. ככל שהתדר עולה, ההשפעה של רכיבים פרזיטיים גוברת ויכולה לגרום ל: 

• סטייה משמעותית מעכבת התכנון.

• החזרות אותות - (Reflections).

• עיוותים בסיגנל. 

• קרינה אלקטרומגנטית לא רצויה (EMI). 

לכן, בעת תכנון מעגלים בתדר גבוה, יש להקפיד לבחור נגדים שתוכננו מראש לתנאים אלו, תוך התייחסות לנתונים כמו עכבה דינמית, S-parameters, ומבנה פנימי מותאם. הבנה מוקדמת והתייחסות נכונה לתופעות הפרזיטיות תסייע לכם להשיג התאמה חשמלית מדויקת, למנוע תקלות, ולשפר את הביצועים הכוללים של המערכת.