如果被動元件遵循摩爾定律…

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

哪些應用可能透過超微型電感器而使RF電路設計和佈局更加容易?

有時候,用「如果?」(what if?)來做推測是一個值得的思考實驗,因為它拓寬了您的思維和視野。「摩爾定律」(Moore’s Law)實際上並不是物理意義的定律,而是一個假設。

高登·摩爾(Gordon Moore))於1965年為《電子雜誌》(Electronics)撰寫一篇名為《在積體電路中塞進更多元件》(Cramming More Components Onto Integrated Circuits) 的文章。該文章不僅簡短、易讀,而且非常有先見之明。自從他在此文中提出該定律之後,「摩爾定律」於是定義了半導體產業,而文還包含了其它幾個令人印象深刻的目標預測。

雖然摩爾的文章重心大部份都集中在數位整合上,但在文章結束之前,他確實指出了數位和線性電路之間的一些差異——但這一事實經常被那些引述摩爾預測的人所忽視。

他寫道:「缺乏數值較大的電容器和電感器,是線性領域中整合型電子元件的最大基本限制。就其本質而言,此類元素需要在一定體積內儲存能量。對於高Q值而言,體積就必須要大。從術語本身來看,大體積和整合電子元件的不相容性是顯而易見的。諸如在壓電晶體中的特定共振現象,可以預期會有一些調諧(tuning)功能的應用,但是電感器和電容器將伴隨我們一段時間…其它線性功能則將發生很大的變化。整合結構中類似元件的比對和追蹤,將使差動放大器的設計在效能上大幅提升…未來的整合型射頻(RF)放大器很可能由整合的增益級組成,以最低成本提供高效能,並穿插相對較大的調諧元件。」

當今的現實是,我們確實有低值的晶片式電感器、電容器和電阻器。許多系統單晶片(SoC)設計使用巧妙的拓樸結構,以儘量減少這些L和C的數量和值,即使它需要更主動但更容易整合的裝置。畢竟,類比IC設計不僅僅是將離散式裝置原理圖簡化成IC而已。

於此同時,在利用新材料、製造技術和自動化來創造小至難以想像的被動元件方面已有巨大的進展。有許多,但不是所有的這些被動元件,是使用某種陶瓷晶片作為實體建構的基礎。

儘管如此,超小型線繞(wirewound)裝置仍然還有空間。例如,我剛看到Coilcraft公司016008C系列的產品發佈,該產品號稱是全球最小的高頻線繞晶片電感器 ,尺寸只有0.47mm × 0.28mm × 0.35mm (1)。

圖1:此RF線繞電感器系列具有幾乎看不見的0.47mm × 0.28mm × 0.35mm外形尺寸,並提供0.45nH到24nH的電感。(資料來源:Coilcraft)

圖1:此RF線繞電感器系列具有幾乎看不見的0.47mm × 0.28mm × 0.35mm外形尺寸,並提供0.45nH到24nH的電感。(資料來源:Coilcraft)

它可提供範圍從0.45nH到24nH的36種電感值,其特色包括所謂市場上最高的Q因子和非常低的直流(DC)電阻,低於薄膜電感器——需要高Q值才能儘量減少RF天線阻抗比對電路中的插入損耗。資訊豐富的資料表不僅列出了規格,還可辨識用於測量每個參數的儀器。

雖然這種精巧性仍難以企及IC所能達到的,但在被動元件「縮小」方面仍然十分可觀。因此,需要這種適中電感值的RF電路,才能在元件佈置和產品封裝方面具有額外的靈活度,並減少寄生元件。

毫無疑問地,電感器從不同尺寸的大型繞線線圈,而電容器為實體金屬或金屬化表面的時期,到現在已經歷了很長的一段時間。「過去」曾經有一個奇怪但廣泛使用的電容器例子,即所謂的「絞合電容器」(gimmick capacitor),它是由兩條相互纏繞的電線製成,如2「何謂絞合?」(What is a gimmick?) 所示。

圖1:此RF線繞電感器系列具有幾乎看不見的0.47mm × 0.28mm × 0.35mm外形尺寸,並提供0.45nH到24nH的電感。(資料來源:Coilcraft)

2此絞合電容器是真正的即興創作,它通常由兩條短的電線互相纏繞而成。(資料來源:SM0VPO/G4VVJ Harry Lythall)

絞合電容器的電容在很大程度上取決於電線的尺寸、絕緣厚度、扭絞的緊度,當然還有長度。典型的長度是1到2公分,合成電容為2到5pF/cm。當然了,還有一些微亨(microhenry)級的電感寄生元件。這種粗糙但有效的電容器用於RF電路中的級際耦合 (interstage coupling),如3所示,並用於增加「剛好足夠」調整電路所需的電容。

3:絞合電容器也用於級際耦合,以便在調諧範圍上限增加增益。在此處,請注意該絞合電容器的原理圖,它置於次級側繞組的閘極端(grid end,即「真空管」的特定說法)(資料來源:www.radiomuseum.org)

好處是,您可以從一條更長的絞線開始,然後不斷地修剪直到各個元件如預期地狀態執運作為止。我覺得您可以將它稱作使用者可程式電容器。壞處則是在生產環境中很難重複套用此解決方案。

儘管如此,絞合電容器已商業化使用了,因為它成本低、方便,而且生產線上每個單元可以彈性修整,因為RF電路單元間一致性的效能在早期曾經是個主要的問題。該絞合電容器仍用於現場微調天線等的功能,以補償實際的變異。這一類變異主要來自於位置、安裝細節、線規(wire gauge)、寄生元件、末端效應,以及「此處多點電容可能有所幫助」等情況。

您認為是否有哪些應用可能透過超微型電感器而使RF電路設計和佈局更加容易?或者,處理能見度、原型設計和探測電路的難處可能帶來意外和不必要的困難呢?

(參考原文:What if passive components followed the Moore’s law?by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年5月號雜誌

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