频率为 0 就是开路所以只要串电容不管电容值为何就是可以挡 DC,再来由上述公式也知电容值越大其容抗越小亦即 Loss 越小,同时也得知电容值越大对 RF 讯号而言会越接近 0 奥姆电阻。

1. 在射频电路中串 100pF 相当于直连,这是为何?
 
依照下述容抗公式

 

 

频率为 0 就是开路所以只要串电容不管电容值为何就是可以挡 DC,再来由上述公式也知电容值越大其容抗越小亦即 Loss 越小,同时也得知电容值越大对 RF 讯号而言会越接近 0 奥姆电阻。
 
而 0 奥姆理论上对于 RF 阻抗是不会有任何改变,所以得到一个结论,理论上串一个大电容不但可以当 DC Block 同时也不会影响 RF 的阻抗。
 
2. 为什么都是 pF 级别的呢,按理说 nF 级别的电容容抗更小啊,为什么不用呢?
 
RF 走线跟电容的接合处是一个阻抗不连续面如下图:

 

 

一般而言电容值越大其 Size 也会越大其接合处阻抗偏移程度也会越严重,这就失去了上述『同时也不会影响 RF 的阻抗』的作用。
 
换言之你串一个大 Size 的电容尽管其电容值很大容抗很小,但很可能其阻抗偏移造成的 Loss 还更大。
 
既然 100 pF 就能做到的事何必硬要用个 3.9 nF 来徒增麻烦???看 Loss 不是只看 Insertion Loss 还要考虑 Mismatch Loss。
 
3. 那假设同样都是 0402 的尺寸好了为啥只能用 pF 等级?
 
0402 尺寸的电容中所有材质都可到达 nF 等级有些甚至可到达 uF 等级

 

 

4. 但这些材质中只有 C0G(或叫 NP0)材质的电容其稳定度是最高的

 

时间稳定度:
 

 

 
温度稳定度:

 

 

5. 频率稳定度:

 

 

6. 换言之只有 C0G(NP0)材质的电容其电容值不随时间,温度, 频率而有所偏差
 
因此在 RF 应用中只有 C0G(NP0)材质的电容为首选其他都不是好选择,而 C0G(NP0)材质的电容值最大也只到 1nF,所以多半只能用 pF 等级。

 

 

7. 假设同样都是 0402 的尺寸同样都是 C0G(NP0)材质
 
最大也还有 1nF 为啥只能用 pF 等级?先来比较 IL (Insertion Loss) 假设 RF 频率为 LTE Band 7 的 2700 MHz 好了。
 
1nF 的 IL 为 0.036 dB

 

 

8. 8pF 的 IL 为 0.0385 dB
 
IL 方面确实 8pF 比较大因为电容值越小其 ESR 越大当然 IL 就越大,所以 1nF 跟 8pF 之所以 IL 有差主要是来自于 ESR 的差异。但话说回来一个 0.036 dB 一个 0.0385 dB,其实也没啥太大差别不需要计较到 0.0025 dB 的差异。

 

 

9. 但阻抗偏移程度就有差别了假设原始阻抗为 50 奥姆如下图:
 
由上图可知 1nF 的阻抗偏移程度比 8pF 来得大,这就失去了 DC Block『同时也不会影响 RF 的阻抗』的作用。
 
换言之如果 RF 走线阻抗控制得好走线够短够宽,原则上用 8pF 当 DC Block 其阻抗依旧为 50 奥姆,不用再额外调匹配使其整体阻抗恢复到 50 奥姆。但若用 1nF 当 DC Block 其阻抗会偏离 50 奥姆,需要额外再调匹配使其整体阻抗恢复到 50 奥姆。

 

 

10. 因此若用 1nF 当 DC Block 还需再串联一个 4pF 的电容
 
方可使整体阻抗恢复到 50 奥姆

 

 

11. 再来看一下多串了 4pF 电容后的 IL

 

 

12. 因此整理如下:
 
这表示说你为了要节省那 0.0025 dB 的 IL,舍弃 8pF 而采用 1nF 的 DC Block,结果需要额外再加 4pF 的电容来恢复 50 奥姆阻抗。
 
换言之,不但额外多出了调匹配的时间跟工作量同时也额外多出了 0.0135 dB 的 IL,这笔交易你觉得划算吗??
 
只要是串联无源组件不管是电感, 电容, 还是电阻,因为其内阻缘故就是会额外贡献 IL。
 
因此除非必要否则串联组件能不加就不加,在此原则下相较于 1nF,8pF 当然是较佳的 DC Block 选择。

 

 

13. 根据第一点所述电容值越大会越接近 0 奥姆其阻抗偏移程度应该更小
 
那理论上 1nF 应该更接近 0 奥姆为啥阻抗偏移程度还比 8pF 大?
 
还有怎会是往右上跑? 那是串电感才会有的轨迹吧?
 
这就是重点所在了第一点讲的是理想组件的情况,但真实的电容会有 SRF 其 1nF 跟 8pF 的 SRF 如下图:

 

 

顺带一提串联的 SRF 要看 S11 并联的 SRF 才是看 S21,由上图可知 8pF 的 SRF 较接近 RF 频率的 2700 MHz 所以阻抗偏移程度较小。
 
反之因为 1nF 的 SRF 较远离 RF 频率的 2700 MHz 所以阻抗偏移程度较大,所以阻抗偏移程度。不是光看电容值而是要由 RF 频率跟电容 SRF 的差距程度来决定,因为 pF 等级电容的 SRF 会较接近 RF 频段亦即差距程度较小。
 
14. 所以在 RF 路径上用 pF 等级来当 DC Block 其阻抗的偏移程度会较小


这才符合 DC Block『同时也不会影响 RF 阻抗』的作用,这便是为何 RF 路径上其 DC Block 多半为 pF 等级之故,另外串 1nF 电容之所以轨迹会如电感一般往右上跑原因也是 SRF。
 
由上图可知 1nF 的电容其 SRF 为 245 MHz 因此其行为模式如下图:

 

 

以 SRF(245 MHz)为分水岭


若讯号频率座落在 SRF 左边那就是电容模式其轨迹会往右下跑;


若讯号频率正好座落在 SRF 那就是电阻模式其轨迹几乎不动(因为内阻很小不足以影响阻抗),若讯号频率座落在 SRF 右边那就是电感模式其轨迹会往右上跑。
 
15. 如下图:

 

 

因此这便是为何串 1nF 电容其轨迹会如电感一般往右上跑。
 
因为 RF 频率(2700MHz)座落在 SRF 右边此时是电感模式,所以仔细看串 8pF 电容的轨迹其实也是微微往右上跑。
 
因为 8pF 电容的 SRF 为 2563 MHz,其 RF 频率会座落在其 SRF 右边此时是电感模式。
 
同时也得知真实的电容不管值多大只有在讯号频率正好为 SRF 时,才会完全等同于 0 奥姆电阻,只要讯号频率不等于 SRF 其行为模式就是电感模式跟电容模式两者之一。
 
16. 因此再次验证为何 RF 路径上其 DC Block 多半为 pF 等级


因为只有 pF 等级的电容,才能使 RF 频率座落在其 SRF 左边这样才能呈现电容模式,而非电感模式因为这样是等同于把电容当电感用。
 
此时就变成了 DC Blocking inductor,倒也不是说这样一定会有啥危害只是若能避免就尽量避免。
 
17. 为啥电感都是 nH 级别的?


一般而言电感在 RF 路径上的串联都是作匹配用根据感抗公式如下式:

 

 

电感值越大其感抗就越大 IL 越大,因此串联电感值能小的话当然尽可能是越小越好以减少 IL。
 
除此之外串联电感值越大其阻抗就偏移越多如下图:

 


换言之若会需要串联大电感来作匹配,那表示 PCB 走线的原始阻抗离 50 奥姆非常非常远。但基本上若有做好阻抗控制其 PCB 走线的原始阻抗不至于会离 50 奥姆太远,如此一来在 RF 路径上就更无串联大电感的需求了。何需去增大 IL 呢?
 
18. 除此之外电感同电容一般一样有 SRF 其行为模式如下:

 

 

一样以 SRF 为分水岭


若讯号频率座落在 SRF 左边那就是电感模式其轨迹会往右上跑;


若讯号频率正好座落在 SRF 那就是电阻模式其轨迹几乎不动(因为内阻很小不足以影响阻抗);


若讯号频率座落在 SRF 右边那就是电容模式其轨迹会往右下跑,所以再次验证为何 RF 路径上其串联电感多半为 nH 等级。
 
因为只有 nH 等级的电感,才能使 RF 频率座落在其 SRF 左边这样才能呈现电感模式。
 
此时阻抗轨迹才好预测这样作匹配才会顺利一些,否则由于 PCB 走线跟迭构的寄生效应使得在作匹配时,其阻抗轨迹已经跟仿真的预测有所误差了。
 
倘若组件本身的阻抗轨迹又难以预测串电感却往右下跑,这会使得网分量到的阻抗轨迹跟仿真的预测有更大误差,那倒不如盲调算了。
 
19. 同时又再次验证为何 RF 路径上其电容多半为 pF 等级
因为只有 pF 等级的电容,才能使 RF 频率座落在其 SRF 左边呈现电容模式,这样在作匹配时其阻抗轨迹才好预测。