無源器件在低頻電路和高頻電路種的特性分析

2021-01-06 電子產品世界

  我們先來說說電容,都說大電容低頻特性好,小電容高頻特性好,那麼根據容抗的大小與電容C及頻率F成反比來說的話,是不是大電容不僅低頻特性好,高頻特性更好呢,因為頻率越高,容量越大,容抗就越低,高頻就是否越容易通過大電容呢,但從大電容充放電的速度慢來說的話,高頻好像又不容易通過的,這不很矛盾嗎?

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201901/396890.htm

  首先,高頻低頻是相對的。如果頻率太高,那麼,電容的容量變得再大也沒有意義,因為,大家知道,線圈是電感,是阻高頻的,頻率越高,阻礙作用越大。儘管電感量很小,但是,大容量電容一般都有較長的引腳和較大的極板圈在一起,這時,電容兩腳的等效電感量已經對高頻起了很大的阻礙作用了。

  

  因此,高頻不容易通過高頻性能差的大容量電解電容,而片狀的陶瓷電容則在價格性能上佔盡優勢。

  同理,是不是電感越大對高頻了阻礙作用越大呢?不是。為了得到較大的電感量,必須有儘可能多、儘可能大的線圈,而這些導體就向電容的無數個極板,如果碰巧這些極板間距又較近的話(這是追求多圈數無法避免的),分布電容會給高頻信號提供通路。

  

  所以,不同頻段的信號要選用合適容量的電容和電感。

  下面咱們一起把最常用的三個無源器件,電阻、電容、電感的高頻等效電路分析一下:

  1.高頻電阻

  低頻電子學中最普通的電路元件就是電阻,它的作用是通過將一些電能裝化成熱能來達到電壓降低的目的。電阻的高頻等效電路如圖所示,其中兩個電感L模擬電阻兩端的引線的寄生電感,同時還必須根據實際引線的結構考慮電容效應;用電容C模擬電荷分離效應。

  電阻等效電路表示法

  根據電阻的等效電路圖,可以方便的計算出整個電阻的阻抗:

  下圖描繪了電阻的阻抗絕對值與頻率的關係,正像看到的那樣,低頻時電阻的阻抗是R,然而當頻率升高並超過一定值時,寄生電容的影響成為主要的,它引起電阻阻抗的下降。當頻率繼續升高時,由於引線電感的影響,總的阻抗上升,引線電感在很高的頻率下代表一個開路線或無限大阻抗。

  一個典型的1KΩ電阻阻抗絕對值與頻率的關係

  2.高頻電容

  片狀電容在射頻電路中的應用十分廣泛,它可以用於濾波器調頻、匹配網絡、電晶體的偏置等很多電路中,因此很有必要了解它們的高頻特性。電容的高頻等效電路如圖所示,其中L為引線的寄生電感;描述引線導體損耗用一個串聯的等效電阻R1;描述介質損耗用一個並聯的電阻R2。 

  電容等效電路表示法

  同樣可以得到一個典型的電容器的阻抗絕對值與頻率的關係。如下圖所示,由於存在介質損耗和有限長的引線,電容顯示出與電阻同樣的諧振特性。

  一個典型的1pF電容阻抗絕對值與頻率的關係

  3.高頻電感

  電感的應用相對於電阻和電容來說較少,它主要用於電晶體的偏置網絡或濾波器中。電感通常由導線在圓導體柱上繞制而成,因此電感除了考慮本身的感性特徵,還需 要考慮導線的電阻以及相鄰線圈之間的分布電容。電感的等效電路模型如下圖所示,寄生旁路電容C和串聯電阻R分別由分布電容和電阻帶來的綜合效應。

  高頻電感的等效電路

  與電阻和電容相同,電感的高頻特性同樣與理想電感的預期特性不同,如下圖所示:首先,當頻率接近諧振點時,高頻電感的阻抗迅速提高;第二,當頻率繼續提高時,寄生電容C的影響成為主要的,線圈阻抗逐漸降低。

  電感阻抗絕對值與頻率的關係

  總之,在高頻電路中,導線連同基本的電阻、電容和電感這些基本的無源器件的性能明顯與理想元件特徵不同。讀者可以發現低頻時恆定的電阻值,到高頻時顯示 出具有諧振點的二階系統相應;在高頻時,電容中的電介質產生了損耗,造成電容起呈現的阻抗特徵只有低頻時才與頻率成反比;在低頻時電感的阻抗響應隨頻率的增加而線形增加,達到諧振點前開始偏離理想特徵,最終變為電容性。這些無源元件在高頻的特性都可以通過前面提到的品質因數描述,對於電容和電感來說,為了調諧的目的,通常希望的到儘可能高的品質因數。


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