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元器件在低頻和高頻中特性有何不一樣?


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,那麽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?


因爲頻率越高,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,高頻好象又不容易通過的,這不很矛盾嗎?


首先,高頻低頻是相對的。如果頻率太高,那麽,電容的容量變得再大也沒有意義,因爲,大家知道,線圈是電感,是阻高頻的,頻率越高,阻礙作用越大。盡管電感量很小,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占盡優勢。


同理,是不是電感越大對高頻了阻礙作用越大呢?不是。爲了得到較大的電感量,必須有盡可能多、盡可能大的線圈,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*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*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。


圖1: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優良值與頻率的關系,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,寄生電容的影響成爲主要的,它引起電阻阻抗的下降。當頻率繼續升高時,由于引線電感的影響,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。




圖2:一個典型的1K電阻阻抗優良值與頻率的關系


2、高頻電容

片狀電容在射頻電路中的應用十分廣泛,它可以用于濾波器調頻、匹配網絡、晶體管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爲引線的寄生電感;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。



圖3: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優良值與頻率的關系。如下圖所示,由于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。



圖4:一個典型的1pF電容阻抗優良值與頻率的關系



3、高頻電感


电感的应用相对于电阻和电容来说较少,它主要用于晶体管的偏置网络或滤波器中。电感通常由导线在圆导体柱上绕制而成,因此电感除了考虑本身的感性特征,还需 要考虑导线的电阻以及相邻线圈之间的分布电容。电感的等效电路模型如下图所示,寄生旁路电容C和串联电阻R分别由分布电容和电阻带来的综合效应。



圖5: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的影響成爲主要的,線圈阻抗逐漸降低。



圖6:電感阻抗優良值與頻率的關系


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征不同。讀者可以發現低频时恒定的电阻值,到高频时显示 出具有谐振点的二阶系统相应;在高頻時,電容中的電介質産生了損耗,造成電容起呈現的阻抗特征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征,*終變爲電容性。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,對于電容和電感來說,爲了調諧的目的,通常希望的到盡可能高的品質因數。

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