Es ist eine enorme Herausforderung, Designs zu entwickeln, die mit schnellen Prozessoren, Mikrocontrollern mit enormer Rechenleistung und Vernetzung unter Verwendung der neuesten drahtlosen Kommunikationsstandards arbeiten. Und dennoch sind für die Designentwicklung immer auch Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten notwendig. Doch auch diese grundlegenden passiven Bauelemente haben sich mit Verbesserungen der Fertigungstechnologien und einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Physik weiterentwickelt.

Für die meisten von uns ist die drahtlose Kommunikation eine Selbstverständlichkeit, und Funkwellen mit Frequenzen im Gigahertz-Bereich sind allgegenwärtig. Hinzu kommt, dass unser Bedarf an enormer Rechenleistung auf immer kleinerem Raum zu ähnlich hohen Taktfrequenzen in unseren Alltagsgeräten führt. Letztendlich haben wir HF-Strahlung in unseren Taschen und überall um uns herum. Wenn man die Empfindlichkeit elektronischer Schaltungen bedenkt, müsste es sehr häufig zu Interferenzen kommen, die zu Fehlfunktionen führen.

Warum also funktioniert moderne Elektronik überhaupt? Es liegt auf der Hand, dass Interferenzen und das elektronische Rauschen auf ein vertretbares Maß reduziert werden müssen. Das ist die Stärke der passiven Bauelemente. In Verbindung mit diversen elektromagnetischen Komponenten stellen sie sicher, dass die leistungsstarken (aktiven) Prozessoren, Speicher und Sender ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten können.

Seltsamerweise ist es bei vielen Ingenieuren gängige Praxis, passive Bauelemente erst im Nachhinein auszuwählen. Sie wählen diese wichtigen Bauteile einfach aus einer Liste von Standardkomponenten aus. Diese Praxis ist in der anspruchsvollen Welt der Hochfrequenzverstärker, Datenkonverter oder anderer anspruchsvoller Schaltungen nicht zufriedenstellend. Um eine bestimmte Leistung zu erreichen, kommt es entscheidend auf die Auswahl geeigneter passiver Bauelemente an.

Passive Bauelemente, wie z.B. Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren, Ferritkerne und Transformatoren, erzeugen weder Energie noch benötigen sie Strom zum Betrieb. Per Definition verstärken sie keine elektrischen Signale und können Schaltungen nicht steuern. Diese Bauelemente können jedoch Signale dämpfen oder steuern, eine Phasenverschiebung bewirken oder eine Rückkopplung erzeugen.

Im Zentrum jedes modernen elektronischen Systems steht eine Leiterplatte (PCB), auf der sowohl Steckverbinder als auch passive und aktive Bauelemente angebracht sind. Die Bauelemente sind über Leiterbahnen verbunden, die entweder in das Material der Leiterplatte eingebettet sind (d.h. nichtleitendes Material wie Harz) oder auf die Oberflächen aufgebracht sind. Es gibt einige grundlegende PCB-Designregeln, die das Rauschen und dessen negative Auswirkungen minimieren:

1. Leiterbahnen sollten so dünn wie möglich sein. Um die kapazitive Kopplung – eine häufige Ursache für Rauschen – zu reduzieren, sollten die Leiterbahnen weniger als 8 mm dick sein.
2. Der Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen sollte größer sein als die Breite der Leiterbahnen; andernfalls kann es zu erheblichen Einstreu- und Überlagerungseffekten zwischen ihnen kommen.
3. Scharfe Biegungen, z.B. 90-Grad-Kurven, verursachen Störungen und sollten vermieden werden.
4. Leiterbahnen sollten nicht unterhalb von Oszillatoren verlaufen.
5. Da das hochfrequente digitale Rauschen, das von digitalen Schaltungen erzeugt wird, Störungen auf allen Arten von Schaltungen hervorrufen kann, sollten digitale und analoge Komponenten ausreichend voneinander getrennt sein.

Die meisten gängigen PCB-Design-Tools machen auf Verstöße gegen diese Regeln aufmerksam und bieten Alternativen an.

Der Widerstand ist wohl das am häufigsten verwendete passive Bauelement. Er dient zur Impedanzanpassung und Stromanpassung, sei es als drahtgewickelter Widerstand, als Kohleschichtwiderstand oder als Dünnschichtwiderstand. Bei hohen Frequenzen werden drahtgewickelte Widerstände (im Grunde Drahtspulen) induktiv. Dünnschichtwiderstände bestehen zwar aus dünnen Metallfilmschleifen, die bei hohen Frequenzen ebenfalls induktiv werden, können aber dennoch in einigen Hochfrequenzschaltungen eingesetzt werden.

Da die Endstücke eines Widerstandes parallel zueinander liegen, erzeugen sie auch eine Kapazität. Hochohmige Widerstände können eine Kapazität haben, die scheinbar parallel zu ihrem Widerstandswert verläuft. Bei hohen Frequenzen kann ein hochohmiger Widerstand eine niedrigere Impedanz haben.

Kondensatoren selbst speichern elektrostatisch Energie als Ladung über zwei oder mehr leitende Platten, die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt sind. Ein Elektronikentwickler verwendet Kondensatoren zum Filtern und Entkoppeln bei Stromversorgungs- und Signalleitungen. Bei hohen Frequenzen neigen sie jedoch auch dazu, sich ungewöhnlich zu verhalten. Bei Elektrolyt- und Folienkondensatoren können parasitäre Induktivitäten und Resonanzeffekte auftreten, die die HF-Leistung beeinträchtigen. Sie können sogar einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) erzeugen, wenn sich der parasitäre Widerstand mit dem von den Kondensatorplatten erzeugten Widerstand verbindet.

Zur Unterdrückung von Restwelligkeit und Rauschen müssen Entkopplungskondensatoren einen niedrigen ESR aufweisen. Keramikkondensatoren weisen aufgrund ihrer kleineren Plattengröße eine geringere Eigeninduktivität auf. Sie sorgen zudem für Stabilität in den Hochfrequenzbereichen und sind eine geeignete Lösung zur Entkopplung integrierter Schaltungen. Ein gutes Beispiel für diese Eigenschaften ist die Hochfrequenz-MLCC-Serie WCAP-CSRF von Würth Elektronik mit einem Kapazitätsbereich von 0,20 pF bis 33 pF und einer Nennspannung von 25 VDC bis 50 VDC.

Da hochtemperaturbeständige Aluminium/Tantal-Kondensatoren, wie z.B. die H-Chip-Aluminium-Polymerkondensatoren von Würth Elektronik, ein stabiles Temperatur- und Vorspannungsverhalten aufweisen, eignen sich diese Bauelemente gut zur Entkopplung von Stromversorgungsleitungen.

Die Induktivität ist ein anderer Typ von Energiespeicher. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Drahtspule. Eine ideale Induktivität speichert unbegrenzt und verliert keine Wärme; das Bauelement wird als "verlustfrei" bezeichnet. In Wirklichkeit besitzen Induktivitäten jedoch nicht-ideale Eigenschaften. Jeder Draht hat einen spezifischen Widerstand, und wenn sich die Drahtwindungen berühren, bilden sich parasitäre Resonanzkapazitäten, welche die obere Frequenz begrenzen. Die Multilayer-Induktivitäten der Serie WE-MK von Würth Elektronik sind thermisch sehr stabil und weisen über den Temperaturbereich von -40°C bis +120°C praktisch keine Induktivitätsschwankungen auf.

Fazit

Die richtige Kombination von aktiven und passiven Bauelementen ist der Schlüssel zu einem guten Systemdesign. Durch den Einsatz von Kondensatoren, die von den Stromversorgungspins zur Masse parallel geschaltet sind, wird das Rauschen minimiert. Verschiedene parallel geschaltete Kondensatoren ermöglichen eine niedrige Wechselstromimpedanz über einen breiten Frequenzbereich. Und da Kondensatoren mit größeren Werten bei niedrigeren Frequenzen einen niederohmigen Strompfad zur Masse darstellen, kann eine niedrige Impedanz über den Frequenzbereich durch Verwendung anderer Werte erreicht werden. Durch entsprechende Abstimmung von passiven und aktiven Bauelementen ist es möglich, alle für ein Hochfrequenzdesign notwendigen parasitären Komponenten zu berücksichtigen.