无源器件的射频特性及谐振

周五, 24 八月 2018 - 09:45

无源器件的高频特性会和低频特性存在很大差异，见下图
<img alt="无源器件的高频特性会和低频特性存在很大差异" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="34df9ba9-7992-4de3-a988-5be9e0c1c577" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E5%85%83%E4%BB%B6%E7%9A%84%E5%B0%84%E9%A2%91%E7%89%B9%E6%80%A7.jpg" />
电容：

所有电容都是由RLC电路组成，L是与引脚长度和结构相关的电感，R是引脚电阻，C为电容。串连的L和C会在某个频点谐振，而该频率点可以通过计算给出。谐振时电容的阻抗极低，能有效分流射频能量。频率高于电容的自谐振点时，电容就表现出电感的特性，并且感抗值随着频率的升高而变大，旁路和退耦的功能相应减弱。因此旁路和退耦的性能好坏很大程度取决于电容（表贴形式，插装形式）引脚的电感，电容与元件间的引线电感及连接焊盘（或过孔）的电感
<img alt="公式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="76c97cd2-5d8e-4aac-90ca-8f3fdbe56803" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F_1.jpg" /><img alt="图3：阻抗特行和不同的介质材料" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5ecdb9d1-2935-4b6e-a3c7-e17c9b1f33b8" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E9%98%BB%E6%8A%97%E7%89%B9%E8%A1%8C%E5%92%8C%E4%B8%8D%E5%90%8C%E7%9A%84%E4%BB%8B%E8%B4%A8%E6%9D%90%E6%96%99.jpg" /><img alt="不同容值的电容的并联" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="174d2c9a-7fd2-4e6f-93c9-0d252f20d05f" src="/sites/default/files/inline-images/%E4%B8%8D%E5%90%8C%E5%AE%B9%E5%80%BC%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%AE%B9%E7%9A%84%E5%B9%B6%E8%81%94.jpg" />
不同容值的电容的并联

不同值的电容并联情况比较复杂，因为每个电容的谐振频率不同，当工作频率处于最低谐振频率和最高谐振频率之间时，一些电容表现为容性，另外一些表现为感性，形成了一个LC并联谐振电路。当处于谐振状态时，电容和电感之间进行周期性的能量交换，以至流经电源层的电流非常小，电源层表现为高阻抗状态，称这种现象为反谐振

相同封装的不同电容并联无多大效果，不同封装的不同电容并联效果比较好

电容器件的阻抗一频率曲线由其电容分量和ESL分量共同决定，本例中的两个电容容值不同，但类型和封装都相同，因此ESL相同，并联后的阻抗一频率曲线如图2.15所示，不能达到展宽低阻抗频带的目的。
<img alt="电容阻抗" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="615f2822-b39f-4a18-80fd-fed9609b8258" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E5%AE%B9%E9%98%BB%E6%8A%97_0.jpg" />
下图是一个电容组合的例子。这个组合中使用的电容为：2个680uF钽电容，7个2.2uF陶瓷电容（0805封装），13个0.22uF陶瓷电容（0603封装），26个0.022uF陶瓷电容（0402封装）。图中，上部平坦的曲线是680uF电容的阻抗曲线，其他三个容值的曲线为图中的三个V字型曲线，从左到右一次为2.2uF、0.22uF、0.022uF。总的阻抗曲线为图中底部的粗包络线。

这个组合实现了在500kHz到150MHz范围内保持电源阻抗在33毫欧以下。到500MHz频率点处，阻抗上升到110毫欧。从图中可见，反谐振点的阻抗控制得很低。
<img alt="相同容值的电容并联" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e183cf6a-cc97-4790-9793-da7f8e507dcf" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%9B%B8%E5%90%8C%E5%AE%B9%E5%80%BC%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%B9%B6%E8%81%94.jpg" />
相同容值电容的并联

使用很多电容并联能有效地减小阻抗。63个0.0316 uF的小电容（每个电容ESL为1 nH）并联的效果相当于一个具有0.159 nH ESL的1.9908 uF电容。
<img alt="单个电容及并联电容的阻抗特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="14c87cf6-32f9-4ded-8639-3d091f8f6182" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%8D%95%E4%B8%AA%E7%94%B5%E5%AE%B9%E5%8F%8A%E5%B9%B6%E8%81%94%E7%94%B5%E5%AE%B9%E7%9A%84%E9%98%BB%E6%8A%97%E7%89%B9%E6%80%A7.jpg" />
单个电容及并联电容的阻抗特性如图10所示。并联后仍有相同的谐振频率，但是并联电容在每一个频率点上的阻抗都小于单个电容。

但是，从图中我们看到，阻抗曲线呈V字型，随着频率偏离谐振点，其阻抗仍然上升的很快。要在很宽的频率范围内满足目标阻抗要求，需要并联大量的同值电容。这不是一种好的方法，造成极大地浪费。有些人喜欢在电路板上放置很多0.1uF电容，如果你设计的电路工作频率很高，信号变化很快，那就不要这样做，最好使用不同容值的组合来构成相对平坦的阻抗曲线。

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