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Die Erfindung betrifft ein Entkopplungsmodul zum
Auskoppeln hochfrequenter Signale aus einer Spannungsversorgungsleitung,
mit mehreren parallel geschalteten Kondensatoren, welche jeweils
eine bestimmte Kapazität
aufweisen.
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Der Entwurf von Hochfrequenzschaltungen, wie
sie heute in der Mobilkommunikation Einsatz finden, ist ein sehr
komplizierter und zeitraubender Prozess. Neben dem Hochfrequenzverhalten
muss auch die Gleichspannungsversorgung der aktiven Komponenten
und die digitale Signalverarbeitung der integrierten Schaltung optimiert
werden. Innerhalb des Moduls treten also neben Gleichspannungssignalen auch
niederfrequente Signale im Bereich von 1 MHz bis etwa 500 MHz sowie
hochfrequente Radiosignale von 1 GHz und mehr auf. Dabei besteht
die Gefahr, dass zwischen den elektrischen Komponenten und Leitungen
unerwünschte
Kopplungen erzeugt werden, die während
des Entwurfsprozesses nicht berücksichtigt
werden können
und erst gegen Ende der Entwicklung eines Hochfrequenzmoduls erkannt werden.
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Um die Hochfrequenzsignale verstärken zu können, müssen die
aktiven Komponenten an die zentrale Batteriespannung angeschlossen
werden, aus der sie die notwendige Energie schöpfen. Ein bekanntes Problem
am Ende des Entwurfsprozesses ist die Übersprache von Hochfrequenzsignalen
auf die Leitungen der Batteriespannungsversorgung. Dieser Kopplungseffekt
führt zu
Rückkopplungsschleifen
zwischen den aktiven Komponenten. Das Verhalten der aktiven Komponenten
wird dadurch erheblich gestört,
und die gesamte Hochfrequenzschaltung kann in unerwünschte Resonanzen
kommen.
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Das Einkoppeln der niederfrequenten
und der hochfrequenten Signale in die Spannungsversorgungsleitungen
ist überdies
auch deshalb nicht zu vermeiden, da alle Leitungen im Zuge der Miniaturisierung
sehr dicht nebeneinander verlaufen und alle an dieselbe zentrale
Batteriespannung angeschlossen sind. Insbesondere ist die Kopplung
von niederfrequenten Signalen auf die Gleichspannungsleitungen gefährlich,
da die verwendeten Transistoren in diesem Frequenzbereich eine hohe
Verstärkung
von etwa 20 dB aufweisen. Eine Rückkopplungsschleife mit
nur – 20
dB Kopplung führt
somit zu einer Gesamtverstärkung
von 1. Dies ist für
Oszillationen bereits ausreichend.
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Um ein Übersprechen von den Signalen
von einer aktiven Komponente zur anderen zu vermeiden, werden die
Nieder- und Hochfrequenzsignale auf den Spannungsversorgungsleitungen über ein Entkopplungsmodul
zur Erdung abgeleitet. Dieses Entkopplungsmodul soll alle Wechselspannungssignale
zur Erdung durchlassen, die Gleichspannung aber nicht beeinflussen.
Prinzipiell wird dieses mit Kondensatoren realisiert, denn durch
diese kann kein Gleichstrom fließen, so dass die Gleichspannung
der Batterie unbeeinflusst bleibt. Für das Hochfrequenzsignal bietet
der Kondensator eine Impedanz Z, die mit der Frequenz abnimmt:
wobei ω = 2 π f mit f als der Frequenz des
Hochfrequenzsignals, C die Kapazität des Kondensators und j = √–1 ist.
Je höher
die Frequenz des Signals ist, desto einfacher kann es über den
Kondensator nach Erde geleitet werden.
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In vielen Hochfrequenzschaltungen
wird zum Auskoppeln der unerwünschten
Hochfrequenzsignale aus den Gleichspannungsleitungen eine große Anzahl
diskreter Keramikmultilayer-Kondensatoren verwendet, die auf das
Hochfrequenzmodul gelötet
werden. Der eine Kontakt der Kondensatoren ist auf die Spannungsversorgungsleitung
gelegt, der andere auf die Erdungsleitung. Ein Nachteil dieser Kondensatoren
ist die durch ihren inneren Aufbau induzierte Eigeninduktivität L. Die
Kombination aus der Kapazität
C und der Induktivität
L führt
dazu, dass die effektive Entkopplungskapazität mit der Frequenz abnimmt
und bei der Frequenz
Null
ist. Bei Frequenzen oberhalb von f
C=0 wirken
diese Kondensatoren wie eine Spule, und Entkopplung ist dann nicht
mehr gewährleistet.
Bei Verwendung dieser Kondensatoren wird oftmals im ersten Entwurf keine
zufriedenstellende Entkopplung erreicht, und weitere zeitraubende
Anpassungen der Entkopplungsschaltung sind notwendig. Diese Kondensatoren
werden in den meisten Hochfrequenzschaltungen in Überzahl
verwendet, um zu garantieren, dass keine Resonanzen entstehen.
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Um die Eigeninduktivität zu verringern,
wurden Einschicht-Kondensatoren entwickelt. Zum Erzielen einer ausreichend
hohen Kapazität
wird entweder die Schichtdicke sehr klein gehalten (bis hinab zu
etwa 20 nm), oder es wird ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante
gewählt.
Wegen der sehr viel kleineren Eigeninduktivität liegt die Frequenz fC=0 bedeutend höher, und die Auskopplung des
Hochfrequenzsignals aus der Spannungsversorgungsleitung funktioniert
bis zu hohen Frequenzen. Nachteilig ist, dass die Einschicht-Kondensatoren
in vielen Anwendungen als diskrete Komponenten montiert werden müssen. Weiterhin
ist die Herstellung und Kontaktierung von dünnen Schichten nur in sehr
speziellen und teuren Prozessen möglich. Die verwendeten Materialien
haben eine relativ hohe Durchschlagfeldstärken von etwa 200 V/μm für typische
Dünnfilmkeramik
bis 1000 V/μm
für Siliziumnitrid.
Bei sehr dünnen
Schichten von etwa 20 nm für
das Siliziumnitrid bedeutet dies, dass die Durchschlagfeldstärke bei etwa
20 V erreicht wird. Bei typischen Schichtdicken im Bereich von 0.5 μm von Dünnfilm-Keramikkondensatoren
liegt die Durchschlagspannung bei etwa 100 V. Diese Kondensatoren
können
also nicht in hohen Spannungsbereichen eingesetzt werden.
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Ein weiterer Nachteil dieser Dünnfilm-Kondensatoren
ist, dass sie nicht in einem Dickfilmprozess hergestellt werden
können.
Der überwiegende Teil
der passiven RF-Funktionen in RF-Frontend-Modulen kann in LTCC-Technologie
(Low Temperature cofired Ceramics-Technologie) in dreidimensionalen Multilayer-Keramikschaltungen
in Dickfilmtechnologie hergestellt werden. Es wäre sehr vorteilhaft, wenn auch
die Entkopplungsmodule in dieser Technologie hergestellt werden
könnten.
In der Dickfilmtechnologie können
allerdings Schichtdicken von 10 μm
nicht unterschritten werden. Bei der Integration von Kondensatoren
mit hohen Kapazitätswerten
von mehreren Nanofarad treten geometriebedingte Resonanzen der Kondensatorflächen auf.
Bedingt durch die höhere
Schichtdicke bei Dielektrika in der Dickfilmtechnologie zeigen sich
diese Resonanzen bei Frequenzen im unteren Gigahertzbereich. Diese
Resonanzen begrenzen die maximale Kapazität, die zur Entkopplung bei
einer gegebenen Frequenz integriert werden kann. Um dennoch eine
hohe Gesamtkapazität
zu erreichen, kann man mehrere Kondensatoren parallel schalten,
um so einen Kapazitätswert
zu erreichen, der gleich der Summe der Einzelkapazitäten der
parallel geschalteten Kondensatoren ist. In Ausführung einer solchen Schaltung,
wie sie beispielhaft in 1(a) gezeigt
ist, sind Verbindungsleitungen zwischen den Kondensatoren notwendig, die
selbst eine Induktivität
aufweisen. Das Übertragungsverhalten,
in 1(b) gezeigt, zeigt,
dass unerwünschte
Resonanzen auftreten, die insbesondere im Bereich unterhalb von
1 GHz liegen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Entkopplungsmodul zur Verfügung
zu stellen, das praktisch keine Resonanzen im unteren Hochfrequenzbereich,
insbesondere bis etwa 1 GHz, zeigt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Entkopplungsmodul
nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gegenstand
des Anspruchs 6 ist ein Multi-Layer-Stack, der ein erfindungsgemäßes Entkopplungsmodul
aufweist.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem
Entkopplungsmodul der eingangs genannten Gattung vorgesehen, dass
mindestens einem der Kondensatoren eine Induktivität zugeordnet
ist, die in Abhängigkeit von
der Kapazität
des Kondensators so gewählt
ist, dass eine Resonanz erzeugt wird, welche die Selbstresonanz
des Systems aus mindestens einem weiteren Kondensator und der Spannungsversorgungsleitung
kompensiert.
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Überraschenderweise
gelingt es also beispielsweise, auch mit Kondensatoren, die eine
Eigeninduktivität
aufweisen, gute Entkopplungsmodule aufzubauen. Während der Einsatz von Dünnfilm-Kondensatoren
eine immer kleinere Eigeninduktivität der Kondensatoren und damit
sehr komplizierte Prozesse verlangt, beschreibt die erfindungsgemäße Lösung einen
einfachen Weg, der es erlaubt, Entkopplungsmodule beispielsweise
auch in Dickfilmtechnologie herzustellen. Dieses wird nachstehend noch
näher erläutert.
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Die Erfindung nutzt aus, dass durch
eine besondere Ausgestaltung der Parallelschaltung der Kondensatoren
die unerwünschte
Resonanz durch eine zweite Resonanz kompensiert wird.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
kann dieses schon erreicht werden, wenn für mindestens zwei der Kondensatoren
die Relation C1/C2 = L12/L1 gilt, wobei L12 die
zwischen den Kondensatoren wirkende Induktivität der Spannungsersorgungsleitung ist.
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Grundsätzlich können bei der Erfindung Kondensatoren
verwendet werden, deren Eigeninduktivität praktisch Null ist und daher
vernachlässigt
werden kann. Die Erfindung bietet aber besondere Vorteile beim Einsatz
von Kondensatoren mit Eigeninduktivität, da, wie oben schon angesprochen,
auch mit diesen gute Entkopplungsmodule aufgebaut werden können. Normalerweise
wäre beim
Einsatz solcher Kondensatoren nicht-ideale Erdung zu erwarten. Mit der
Erfindung können
auch solche negativen Effekte kompensiert werden.
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Dies kann beispielsweise erreicht
werden, wenn für
mindestens zwei der Kondensatoren die Relation
C1/C2 = (L12 – L2)/L1 gilt, wobei
L1 die Eigeninduktivität des Kondensators mit der
Kapazität
C1, L2 die Eigeninduktivität des Kondensators
mit der Kapazität
C2 und L12 die zwischen den
Kondensatoren wirkende Induktivität der Spannungsversorgungsleitung
ist.
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Es kann vorteilhaft die Kapazität eines
der Kondensatoren mit einer bestimmten Eigeninduktivität so gewählt werden,
dass eine Selbstresonanz eine Übertragungsnullstelle
bei einer weiteren Frequenz erzeugt. Dies kann beispielsweise eine
Arbeitsfrequenz einer aktiven Komponente oder eine Frequenz eines
benachbarten Moduls sein. Mit einem solchen Schaltungsast wird die
Selbstresonanz eines weiteren Schaltungsastes unterrückt, und
dessen Kapazität
kann dann sehr groß gewählt werden. Ohne
die Maßnahme
wäre eine
sehr niedrige Selbstresonanz im Bereich von 200 MHz zu erwarten.
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Das Entkopplungsmodul der Erfindung
kann in einen an sich bekannten Multi-Layer-Stack integriert werden, bei dem beispielsweise
mindestens eine Schicht eine dielektrische Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante ε > 300 ist, auf der die
Kondensatoren aufgebaut sind. Geeignete Schichtdicken liegen bei
etwa 100 μm
und darunter, bevorzugt unterhalb von 40 μm. Die Dicke der Schicht hat
nur im Rahmen der Dispersion Einfluss auf die Lage der geometriebedingten
Resonanzen.
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Der Stackaufbau kann dabei eine oder
auch mehrere Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweisen. Insbesondere
für die
Kondensatoren, die erfindungsgemäß nun eine
Eigeninduktivität
aufweisen dürfen,
ist ein Aufbau mit noch mehr Schichten und damit höherer Kapazitätsdichte
pro Oberfläche möglich.
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Weiterhin ist es mit der Erfindung
möglich, SMD-Kondensatoren
(surface mount device-Kondensatoren)
mit einer höheren
Eigeninduktivität
als integrierte Kondensatoren in Schaltungen zu verwenden und somit
zumindest teilweise eine Kostenersparnis zu erreichen, da auf teure
Kondensatoren mit minimierter Eigeninduktivität verzichtet werden kann.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigt:
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1 das
Ersatzschaltbild eines Entkopplungsmoduls nach dem Stand der Technik
mit einer Darstellung des Übertragungsverhaltens;
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2 das
Ersatzschaltbild eines Entkopplungsmoduls nach einer ersten Ausführungsform
der Erfindung mit einer Darstellung des Übertragungsverhaltens;
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3 ein
Ersatzschaltbild einer weiteren Ausführungsform des Entkopplungsmoduls
der Erfindung mit einer Darstellung des Übertragungsverhaltens;
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4 ein
Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Entkopplungsmoduls
der vorliegenden Erfindung mit einer Darstellung des Übertragungsverhaltens;
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5 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Entkopplungsmoduls, bei
dem die Kondensatoren in Dickfilmtechnologie aufgebaut sind, so
wie eine Darstellung des Übertragungsverhaltens;
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6 eine
Darstellung ähnlich
der 5 für ein Entkopplungsmodul
nach dem Stand der Technik; und
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7 eine
Darstellung eines Multi-Layer-Stacks mit einer Schicht mit hoher
Dielektrizitätskonstante
und
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8 eine
Darstellung eines Multi-Layer-Stacks mit zwei Schichten mit hoher
Dielektrizitätskonstante.
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Abweichend von der einfachen Parallelschaltung
von Kondensatoren, wie sie in 1 veranschaulicht
ist, wird erfindungsgemäß zumindest
einem der Kondensatoren eine Induktivität zugeordnet. Normalerweise
ist dieses bei Entkopplungsmodulen nicht vorgesehen, denn man möchte den
hochfrequenten Anteil auf Masse legen, was durch eine Induktivität behindert
wird.
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Entkopplungsmoduls
nach der Erfindung im Teilbild (a). Ein erster Kondensator K1 weist neben einer Kapazität C1 auch eine Induktivität L, auf. Der zweite Kondensator
K2, der parallel zu dem ersten Kondensator
K1 geschaltet ist, hat eine zu vernachlässigende
Eigeninduktivität.
Zwischen den Kondensatoren K1 und K2 wirkt eine Induktivität L12 der
Spannungsversorgungsleitung S. Die Induktivitäten L1 und
L12 sind so zu wählen, dass C1/C2 = L12/L1 gilt. Das Übertragungsverhalten ist in
Teilbild (b) dargestellt. Es entspricht exakt dem eines Kondensators mit
der Kapazität
C1 + C2 und zeigt
keine Resonanzen im Frequenzbereich unterhalb 2 GHz.
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3 zeigt
im Teilbild (a) das Ersatzschaubild eines Entkopplungsmoduls nach
einer Ausführungsform
der Erfindung, bei der auch dem Kondensator K2 eine
Induktivität
L2 zugeordnet ist. Ansonsten entspricht
der Aufbau dem der 2.
Im Teilbild (b), das die Übertragungseigenschaft
abbildet, ist eine Resonanz fres,
2 bei 3.5 GHz zu sehen, die der Resonanz
des Kondensators K2 mit der Induktivität L2 entspricht. Die Resonanz des Kondensators
K1 ist durch die Schaltung kompensiert.
Die Komponentenwerte müssen
die Relation C1/C2 = (L12 – L2)/L1 erfüllen.
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Es ist wünschenswert, die Kapazität C
2 des Kondensators K
2 möglichst
klein zu halten. Dann wird nämlich
die Selbstresonanz mit der Eigeninduktivität L
2 erst
bei vergleichsweise hohen Frequenzen erreicht. Wie aus Teilbild
(b) ersichtlich ist, wird die Selbstresonanz des Schaltungsastes
C
1L
1 unterdrückt. Die
Kapazität
C
1 kann daher sehr groß gewählt werden. Beispielswerte
für die
Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle
1
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Das erfindungsgemäße Prinzip kann auf drei oder
mehr Kondensatoren übertragen
werden. Ein Schaltungsbeispiel für
drei Kondensatoren ist in 4 gezeigt,
bei der das Entkopplungsmodul der 3 um
einen weiteren, parallel geschalteten Kondensator K3 ergänzt ist.
Derartige Schaltungen ermöglichen
es, eine um den Faktor 2 bis 3 vergrößerte Entkopplungskapazität zu erzielen,
ohne Resonanzen im unteren Hochfrequenzbereich in Kauf nehmen zu
müssen.
Die Werte für
die einzelnen Kapazitäten
C1, C2 und C3 bzw. Induktivitäten L1,
L2, L1
2 und L3 können
durch computerunterstützte
Simulationen erhalten werden. Das Übertragungsverhalten ist im Teilbild
(b) dargestellt.
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5 zeigt
ein Beispiel einer Realisierung des Konzeptes der vorliegenden Erfindung
in Dickfilmtechnologie. Zwei flächige
Kondensatoren K1 und K2 sind
an eine Leitung S geschaltet, wobei eine Induktivität durch
die Verbindungslinie L1 zwischen dem Kondensator
K1 und der Leitung S erzeugt wird. Das Übertragungsverhalten in Teilbild
(b) zeigt keine Resonanzen im niederfrequenten Bereich unterhalb von
2 GHz.
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6 veranschaulicht
die Verhältnisse
bei einer Anordnung ohne Verbindungsleitung und damit ohne zusätzliche
Induktivität.
Das Übertragungsverhalten,
in Teilbild (b) gezeigt, ist deutlich verschlechtert.
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7 zeigt
eine Schnittansicht eines Multi-Layer-Stacks der neben weiteren
Schichten S1, S2,...
eine integrierte Entkopplungsschicht Sε, ausgebildet
als Schicht mit einer hohen dielektrischen Konstante, die typischerweise
im Bereich ε =
300 bis 2000 liegt. Die Dicke dieser Schicht Sε mit
hoher dielektrischer Konstanten ist relativ gering und liegt typischerweise
im Bereich von 10 μm
bis 40 μm,
obwohl auch Schichtdicken bis hinauf zu 100 μm möglich wären. Unterhalb der Schicht
mit hoher dielektrischer Konstanten befindet sich die Erdungselektrode
Sg des Kondensators die Schicht Sε,
die Schicht ganz oder teilweise überdecken
kann, auf der Schicht Sε sind die planaren Kondensatorfelder
K nach dem in 5(a) veranschaulichten
Prinzip ausgebildet. Dieser Mu1ti-Layer-Stack kann in einem Dickfilmprozess mit
Keramikschichten hergestellt werden.
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In 8 ist
eine Variante gezeigt, bei der zwei Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante vorgesehen
sind, zwischen denen die Kondensatorflächen K des Entkopplungsmoduls
angeordnet sind. Erdungselektroden Sg1,
Sg
2 befinden sich
sowohl auf der Oberfläche
der oberen dielektrischen Schicht Sε1 als
auch auf der unteren Fläche
der unteren dielektrischen Schicht Sε2.
Mit der Erfindung kann die vergrößerte Kapazität ausgenutzt
werden.
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Die Erfindung stellt eine umfassende
Möglichkeit
dar, Entkopplungskapazitäten
für den
unteren Hochfrequenzbereich in einem Standard-Dickfilmprozess herzustellen.
Damit kann auf die komplizierteren Dünnfilmprozesse für die Entkopplungsfunktion verzichtet
werden. Ferner wird die Limitierung der Kapazität durch geometriebedingte Resonanzen
der Kondensatorflächen überwunden.
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Auch bei relativ hohen Eigeninduktivitäten können Entkopplungskondensatoren
hergestellt werden, bei denen keine Resonanzen im unteren Hochfrequenzbereich
auftreten. Diese Eigenschaft der Kondensatoren ermöglicht es,
dass die Anforderungen an die Erdung abgeschwächt werden können, da man
mit der Schaltung eine Kompensation für das nicht-ideale Erden einführen kann.
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Die höhere Schichtdicke in Dickfilmprozessen
ermöglicht
den Einsatz der erfindungsgemäßen Entkopplungsmodule
bei höheren
Spannungen. Die Durchschlagfeldstärke ist erst bei Spannungen
von mehreren hundert Volt erreicht.
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Die Aufteilung der gesamten Entkopplungskapazität in mehrere
einzelne Kapazitäten
ist auch eine Option für
Dünnfilm-Entkopplungskondensatoren
für hohe
Kapazitätswerte.
Damit kann auch dort bei größeren Abmessungen
die geometriebedingte Resonanz kompensiert werden.
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Auch für die Zusammenschaltung von
mehreren Dünnfilmkondensatoren
ist die hier vorgestellte Schaltungsweise einzuhalten, da durch
die Verbindungslinien zwischen den Kondensatoren niederfrequente
Resonanzen auftreten. Hohe Selbstresonanz reicht für eine Unterdrückung solcher
Resonanzen nicht aus.
