コンデンサの周波数特性

コンデンサーは周波数でインピーダンスが変わる。

右図はコンデンサのCapFreq.png
種類によって周波数特性の違いを示しています。
アルミ電解コンデンサはおおむね1MHz以下でインピーダンスが低く電源ノイズ除去やオーディオ帯域に使用されます。それでも容量が少ないと1KHz程度でも10Ω程度となり、インピーダンスは容量値に反比例して低くなります。
 また、フィルムコンデンサはインピーダンス特性はおおむね電解コンデンサと同様ですが、内部の損失が少ないため特定の周波数で低いインピーダンスを示します。また、漏れ電流が少ない点、経年変化に強いなどのメリットがありますので、高価ですが発振器の周波数を決定する部品として使用されます。(逆に電解コンデンサを発振定数にかかわる場所に使ってはいけません。容量値が変化しますし、温度でも安定しません)。
CapFreq2.gif
積層セラミックコンデンサは1MHzを超える高い周波数に使用されますが、最近は大容量のものが出回っており、インピーダンス特性も電解コンデンサーよりも2桁程度良くなっています。電源やオーディオ用途にも使われていますが、低インピーダンスのため、電源ICなどに電解コンデンサーの代わりに使うと発振してしまう場合がありますので注意が必要です。上図は1608タイプSMD型セラミックコンデンサの容量に対するインピーダンス特性ですが、0.1uFでおおむね50MHz以下のデジタルクロックノイズの除去、0.01uF で100MHz以下の高周波用途、1000PFで50MHz〜500MHz程度の周波数で良い特性が発揮されます。また図でわかるように周波数が高くなると最低のインピーダンスも悪くなります。これは半田付け端子や内部電極のインダクタンス成分によるもので、SMD用のチップタイプでなく、リード付きのものはさらに特性が悪くなると考えてください。1GHz程度で使うには100PF以下で最適容量を選んで使うこと、大きさが出来るだけ小さいSMDタイプを使うこと、できれば数個のコンデンサを異なる位置のGNDに落とすなど工夫をします。
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電源のデカップリングやノイズを落とす目的のコンデンサは、オーディオ用途には 47uFと 0.1uFをパラにする。デジタル回路のICのVdd直近に 0.1uFを落とす。高周波は 0.1uFと 1000PFをパラにして落とす。など定番的な値がよく用いられます。最近はNEC/TOKINのブロードライザが注目を浴びています。DVDレコーダーなど高速DSPやCPUのデジタルノイズやオーディオ帯域、ビデオ帯域まで低いインピーダンスが求められていますので、このような新しい素子も注目する必要があります。

SMDセラミックコンデンサーの周波数特性

1uFSize.png SMDセラミックコンデンサーの周波数特性で主に内部損失に関係が深い ESR (抵抗成分)について調べてみます。
まずお決まりのサイズ別ですが、今回は 1uF のコンデンサーの周波数特性をサイズ別に見てみます。
特性インピーダンスはサイズ別に変化がなかったので1種のみにしましたが、ESRは各サイズで表示されています。まず目に付くには一番サイズが大きい 432サイズの黒いラインです。最も抵抗値が低い周波数は 1MHzで0.003Ω程度になって最小値です。また、一番小さなサイズの 105 (赤ライン)では3MHz〜10MHz付近までフラットに0.01Ω以下になっているのが特色です。
 ここで注意が必要なのは、105の低域の特性です。図には50KHzまでしか書いてないのですが、これ以下はさらに ESR が悪化してくると予想されます。小型で便利かと思ってオーディオ帯域で使おうと思っても低域がまるで出ないとか、思わぬ発振をしたとかいうトラブルが出る恐れがあります。
小型で縦横が反対のコンデンサースクリーンショット(2011-08-01 11.24.29).png
 右図のような形で、普通のSMDコンデンサーのサイド側に電極を付け、抵抗を減らそうと言う狙いです。特性図を下に示しますが、50KHz以上ですが、ESRが半分近くになっています。主にデジタル信号の領域で良好な特性が出ることから、近年 CPUのチップ上に実装されるものも見られます。
1uFLW&Norm.png

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