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AA 2012/2012 Lezioni di Tecnologie e Materiali per l’Elettronica

Passive Components

Danilo [email protected]

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Università degli Studi di Pavia

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Capacitors

Applications:

• Supply filteringSupply filtering

• Interference suppression

• AC coupling

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• AC coupling

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Capacitors

A capacitor is usually made of one dielectric layer and two conducting layerslayer and two conducting layers

CapacitancedQC Capacitance

Parallel plate capacitor

dVC

SC Parallel plate capacitor

Dielectric properties change with temperature:

dC

Dielectric properties change with temperature:

Temperature coefficientTC

C

1

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TC

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Capacitors A capacitor is essentially an energy storage element:

Energy stored21

2SE CV

Only a limited amount of energy can be stored in a capacitor d e the ma im m oltage (ma electric field E )capacitor due the maximum voltage (max electric field ER) that the oxide can withstand before breakdown

Maximum energy density 21SEE E

Maximum electric field

Maximum energy density 2v RE EVol

Electric permettivity

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permettivity

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Dielectric Electrical PropertiesElectric Permeability vs Frequency Loss tangent

ED tjeEE 0

tjDD ''' jr

tjeDD 0 '''0 j

'''''tan

tg

MHz GHz 100GHz 10THz f

interface

dipole

atomic Microscopic resonance ff t

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dipole effects

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Capacitors: Distributed EffectsThe capacitor can be divided into several sections in series:Each section is modeled with an RLC equivalent circuitEach section is modeled with an RLC equivalent circuit Very accurate but very complicated Can account for frequency-dependent effects

Equivalent Circuit

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Simplified Equivalent CircuitDielectric and conductor losses

Dielectric resistivity (DC)

conductor losses

GCjY 'dSC r 0

SdRP

d S

21 GV

Retan

Imdiss

r

Y PY P

● Loss tangent2

GV

21 'C V

● Relaxation time constant rPCR 0

21 '2

C V

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Dielectric LossesIf we ignore all other sources of loss (connectors,metal plates resistive losses, etc.), the capacitor lossmetal plates resistive losses, etc.), the capacitor losstangent is given by the dielectric loss tangent (tan )

S

'''tan

0 ' '' SY j C j jd

GCjY ' 0' ' SC

d 0 '' SG

d

2,

1 ''2

dissdiss vol

PP ESd

212dissP GV

''P2Sd2

21 'rP C V 20

1 'rr vol

PP E

''tan'

diss

r

PP

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2r , 02r vol Sd

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Capacitor Impedance vs Frequency

Resonance frequency fRESq y RES

The impedance magnitude |Z()| decreases as ~1/ up to theresonant frequency fRES .

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q y RESAbove fRES the parasitic inductance dominates..

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Resonance Freq. vs Cap. Value

For a given capacitor type and package size, fRES decreases for

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increasing capacitance

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Applications• Supply filtering

• Interference suppression

• AC coupling SUPPLY NOISE DC

Several capacitors inparallel provide a smallimpedance across alarge frequency rangePOSITIVE

SUPPLYPOWER SUPPLY

NOISE

HF NOISE

DC large frequency range

DC+- LARGE INTERM

.SMALL

NEGATIVE ACSUPPLY

SIGNAL GENERATOR

AC COUPLING

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RF

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Film Capacitors Made from high quality polymer (polycarbonate, polystyrene,

polypropylene, polyester) or paper film, and a thin (~50m) Al foilD t 10 di l t i thi k Down to 10m dielectric thickness

Air and humidity removed to increase max voltage Conductive resin terminals Metallization of polymer sheet

increases energy per unit volume Improved reliabilityp y

Capacitance values: up to ~50F Frequency range: up to a few MHz

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Mica Capacitors Muscovite mica is a natural crystal

Easy to obtain layers (~50 m thickness) r ~5-7

L l t t (10 4 @1MH ) Low loss tangent (10-4 @1MHz) Low temperature coefficient ~100 ppm/°C High voltage applications High voltage applications 1% accuracy: trimming done removing top-plate metallization Moderate range of capacitance values: up to ~100nF

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Ceramic Capacitors A ceramic capacitor is based on a ceramic dielectric with

metal electrodesmetal electrodes Parameters depend on the dielectric materials:

Stetatites =6 tan=5·10-4 Stetatites r=6 tan=5·10 4

(TiO2)x(BaO)1-x r=37 tan=3·10-4

TiBaO3 r~1000 tan~10-23 r

Piezoelectric material

Production steps: Ceramic dielectric firing

El t d d iti d fi i

15·104 pF

Electrodes deposition and firing Multi-layer ceramic capacitors: several layers are pressed and

fired again together

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g g

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Multi-layer Ceramic Capacitors

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Al - Electrolytic Capacitor The foil insulated by the oxide layer is the anode (+) The liquid electrolyte and the second foil act as cathode. (-) The layer of insulating aluminum oxide acts as the dielectric

thin Al2O3 dielectric → high capacitance (~mF) in a small volumeE 109 V/m high energy density Er ~109 V/m → high energy density

High series inductance → low frequency applications Applied voltage must have positive (Va-Vc) polarity

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Electrolytic Capacitor

Boric acid

O id thi kOxide thickness:

/1 tcell eVs Hydrogen gas

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REHydrogen gas

release

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Ta Electrolytic Capacitor Porous sintered Tantalum (Ta) is used as first electrode (cathode)

Oxide Ta2O5 is formed during firing with Mn(NO3 )2

MnO2 acts as electrolyte

Second electrode (anode) is composed of graphite

Reduced size and values (up to several 100F) compared with Al l t l ti itelectrolytic capacitors

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Capacitor TypesPolymer

sheetMica Ceramic Electrolytic

(Al)sheet (Al)MAX Cap. 50F 50nF 10nF ~mF

% % % %Accuracy 10% 2% 5% 20%

fMAX ~MHz ~ 10MHz ~ 100MHz ~ 100kHz

Tan 5·10-4

(10kHz)10-4 (1MHz) 10-3 (1kHz) 10-2

(100Hz)[ /°C] ±100 100 ±20 ±1000 [ppm/°C] ±100 100 ±20 ±1000

EV [J/cm3] 100m 1m 1m 1

[ M·F ] 10.000 1000 1000 50

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