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幹貨 | 眼見不一定為實!電阻、電容和電感的實際等效模型
發布時間:2021-02-01   點擊次數:93次
信號完整性在高速電路中有著至關重要的作用,而很多信號完整性問題需要用「阻抗」的概念來解釋和描述。

在高頻信號下,很多器件失去了原有的特性,如污污污免费软件下载經常聽到的“高頻時電阻不再是電阻,電容不再是電容”,這是咋回事呢?那就看今天的文章吧!

容抗的概念

電容有兩個重要特性,一個是隔直通交,另一個是電容電壓不能突變,先來看一下百度百科對容抗的解釋。

 

簡單說,雖然交流電能通過電容,但是不同頻率的交流電和不同容值的電容,通過時的阻礙是不一樣的,把這種阻礙稱之為容抗

容抗與電容和頻率的大小成反比,也就是說,在相同頻率下,電容越大,容抗越小;在相同電容下,頻率越高,容抗越小。

如何理解容抗與電容大小和頻率成反比呢?

以RC一階低通濾波器舉例。

 

Vin通過R1電阻對電容C1進行充電,Vin的電勢加在電容C的兩個金屬極板上,正負電荷在電勢差作用下分別向電容的兩個極板聚集而形成電場,這稱「充電」過程。

若將Vin拿掉,在Vout上加一個負載R2(青色部分),電容兩端的電荷會在電勢差下向負載流走,這稱為「放電」過程。(流過電容的電流並不是真正穿過了極板的絕緣介質,指的是外部的電流)

衡量電容充電的電荷數為Q,Q=CV,其中C是常量,所以電荷數和電壓呈正比。

 

從公式可以看出:電容上的電流和電壓的變化量成正比,或者說電容上電壓的變化量和電流是成正比的

即在電壓一定時,電容越大,單位時間內電路中充、放電移動的電荷量越大,電流越大,所以電容對交變電流的阻礙作用越小,即容抗越小。

在交變電流的電壓一定時,交變電流的頻率越高,電路中充、放電越頻繁,單位時間內電荷移動速率越大,電流越大,電容對交變電流的阻礙作用越小,即容抗越小。

 

感抗的概念
 
 

如下是百度百度對感抗的解釋,電感的特性是隔交通直,與電容是相反的;所以說容抗和感抗的性質和效果幾乎正好相反,而電阻則處在這兩個級端中間。

感抗與電感的大小和頻率成正比,也就是說,在相同頻率下,電感越大,感抗越大;在相同電感下,頻率越大,感抗越大。

 

感抗和容抗又被稱為電抗,電路的總的阻抗Z由電阻R和電抗X組成。

掌握了預備知識,污污污免费网站再來看電阻、電容和電感的實際等效模型。

理想的電阻、電容和電感就是如下的這樣子,在實際中並不存在,電阻裏麵會有寄生電容和寄生電感在,在電容裏麵會有寄生電阻和寄生電感的存在,在電感裏麵有寄生電阻和寄生電容。

 

理想電阻器

理想電阻的阻抗即為阻值R:

 

電阻實際等效模型

電阻上會存在寄生並聯電容C寄生串聯電感L的存在。

 

根據上圖可得電阻的實際等效阻抗為:

化簡可得:

 

理想電容器

理想電容器阻抗如下圖所示,和頻率呈反比,隨著頻率的增加,阻抗逐漸減小,由於理想電容器中無損耗,等效串聯電阻ESR為零。

理想電容器的阻抗Z公式為:

 

 電容實際等效模型

理想的電容器在實際中是不存在的,電容的實際模型是一個ESR串聯一個ESL,再串聯一個電容,ESR是等效串聯電阻,ESL是等效串聯電感,C是理想的電容。

 

自諧振頻率點是區分電容是容性還是感性的分界點,高於諧振點時,“電容不再是電容”,因此退耦作用將下降。實際電容器都有一定的工作頻率範圍,在工作頻率範圍內,電容才具有很好的退耦作用。ESL是電容在高於自諧振頻率點之後退耦功能被消弱的根本原因。

下圖是實際電容器的頻率特性。

 

理想電感器

理想電感的阻抗為:

 

電感實際等效模型

 

電感器的等效模型和電阻是一樣的,如下所示:

 

阻抗計算公式和電阻也是一樣的,即:

 

從下圖和公式可以看出,理想的電感的阻抗是隨著頻率的增加而變大的。

等效電感的阻抗圖呈一個倒V型,正好和電容相反,倒V的醉高點稱為電感的自諧振點

 

當係統阻尼R提供的衰減不足時,容抗和感抗相互抵消,能量在LC間來回傳遞,這就是諧振。

  • 頻率低於自諧振頻率SRF時,電感感抗隨著頻率增加而增加。
  • 頻率等於自諧振頻率SRF時,電感感抗達到最大。
  • 頻率高於自諧振頻率SRF時,電感感抗隨著頻率增加而減少。

電感自諧振頻率SRF部分不做過多贅述,在後續的電感選型文章中會重點介紹。

總結

理想的電阻、電容和電感在實際中不存在,都會存在寄生參數,從而在不同的頻率下,表現出的特性不同,隻有在特定的頻率範圍內才能發揮出其本身的特性。

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