高频电路中的电感

高频电感主要应用于手机、无线路由器等产品的射频电路中,从 100MHz 到 6GHz 都有应用。

高频电感在射频电路中主要有以下几种作用:

  • 匹配(Matching):与电容一起组成匹配网络,消除器件与传输线之间的阻抗失配,减小反射和损耗;

  • 滤波(Filter):与电容一起组成 LC 滤波器,滤出一些不想要的频率成分,防止干扰器件工作;

  • 隔离交流(Choke):在 PA 等有源射频电路中,将射频信号与直流偏置和直流电源隔离;

  • 谐振(Resonance):与电容一起构成 LC 振荡电路,作为 VCO 的振荡源;

  • 巴仑(Balun):即平衡不平衡转换,与电容一起构成 LC 巴仑,实现单端射频信号与差分信号之间的转换。

有三种结构,可以用来制作高频电感,下面是它们的特点:

多层型

多层型通过烧结,形成一个整体结构,或叫独石型(Monolithic)

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多层片状电感的,相比于其他两种就是 Q 值最低,最大的优势就是成本低,性价比高,适合于大多数没有特殊要求的应用。TDK 和 Taiyo Yuden 的高频电感都只有多层型,没有绕线型和薄膜型。

TDK 的 MLK 系列、Murata 的 LQG 系列、Taiyo Yuden 的 HK 系列,这三个系列的产品基本一样,最便宜,性价比高。

当然随着工艺技术的提升,现在也有高 Q 值系列的多层片状电感,例如 TDK 的 MHQ 系列、太阳诱电的 HKQ 系列。

TDK 的多层电感做的更好更全,还有一个 MLG 系列,有 0402 封装,感值可以做 0.3nH,Value Step 0.1nH,容差 0.1nH,接近薄膜电感的性能,价格还便宜。

绕线型

现在的工艺水平已经越来越高,绕线电感也可以做到 0402 封装。

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绕线型工艺,其导线可以做到比多层和薄膜结构粗,因此可以获得极低的直流电阻。也意味着极高的 Q 值,同时可以支持较大的电流。将无磁性的陶瓷芯换成铁氧体磁芯,可以得到较高的感值,可以应用与中频。

Murata 的 LQW 系列可以做到 03015 封装,最小感值 1.1nH;Coilcraft 的 0201DS 系列,可以做到 0201 封装,号称世界上最小的绕线电感。

薄膜型

采用光刻工艺,工艺精度极高,因此电感值可以做到很小,尺寸也可以做到很小,精度高,感值稳定,Q 值较高。

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Murata 的 LQP 系列,可以做到 01005 封装,高精度产品的容差可以做到 0.05nH,最小感值可以到 0.1nH,这三个参数值可以说是当前电感的极限了。其他,像 Abracon 的 ATFC-0201HQ 系列也可以做到最小 0.1nH。

Murata 有三种工艺的高频电感,选择了同感值(1.5nH)、同封装、同容差的电感对比。

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可以看出绕线型的 Q 值明显高于其他两种,而薄膜型的电感值的频率稳定性高于其他两种。当然,多层型的成本明显低于其他两种。

选择高频电感时,除了需要确定电感值、额定电流、工作温度、封装尺寸外,还要关注自谐振频率、Q 值、电感值容差、电感值频率稳定性。

电感值通常需要根据仿真、实际调试或者参考设计来确定。大多数情况,多层片状高频电感已能满足要求,一些特殊场合可能需要关注:

  • 电感值较大,自谐振频率较低,需要注意工作频率应远低于自谐振频率。

  • 大功率射频设备,PA 偏置电流较大,需要选择绕线型以满足电流要求;同时大功率设备温升较高,需要考虑工作温度;

  • 对于一些宽带设备,需要电感值在带宽内稳定,那么应选择薄膜电感;

  • 对于高精度的 VCO 电路中,作为 LC 谐振源,只有薄膜电感能提高 0.05nH 的容差;

  • 像手机、穿戴式设备,尺寸可能是最关键的因素,薄膜电感可能是比较好的选择。