【30p和103】电巢派电容:射频电路中电阻、电容、电感的详细说明

作者:希文      发布时间:2021-04-15      浏览量:0
电阻、电容和电感是电子电路中最常用

电阻、电容和电感是电子电路中最常用的元件。在低频电子电路或DC电路中,这些元件的特性非常一致。但是射频电路会发生什么呢?今天,我们将在雷震亚的书《微波工程导论》的介绍基础上,继续学习射频电路的基础知识。

一号阻力

电阻是电子电路中最常用的基本元件之一,其基本功能是将电能转化为热量,产生压降。

在电子电路中,一个或多个电阻可以构成器件DC偏置的降压或分压电路,也可以作为DC或射频电路的负载电阻,完成某些特定的功能。

一般来说,电阻器主要有以下几种:高密度碳介电复合电阻器、镍或其他材料制成的线绕电阻器、温度稳定材料制成的金属薄膜电阻器、铝或铍基材料制成的薄膜电阻器。

这些电阻器的应用与其组成材料、结构尺寸、成本和价格以及电气性能有关。薄膜电阻广泛应用于射频/微波电子电路,一般采用表面贴装器件(SMD)。单片微波集成电路中使用的电阻器有三种类型:半导体电阻器、沉积金属薄膜电阻器以及金属和电介质的混合物。

物质的电阻与物质中电子和空穴的迁移率有关。从外部看,物质的体电阻与物质的电导率和体积LWH有关,即

在射频应用中,电阻的等效电路比较复杂,不仅有电阻值,还有引线电感和线间寄生电容。它的性质将不再是纯粹的反抗,而是既反抗又反抗。具体等效电路如图2-4所示。图中的Ca代表电荷分离效应,即电阻引脚极板间的等效电容;Cb代表引线之间的电容;l是引线电感。

至于绕组电阻,等效电路还应考虑绕组部分引起的电感L1和绕组之间的电容C1。引线之间的电容Cb通常小于内部绕组电容,可以忽略不计。等效电路如图2-5所示。

以500金属薄膜电阻为例(等效电路见图2-4),假设两端引线长度为2.5cm,引线半径为0.2032mm,材料为铜,已知Ca为5 pf。根据公式(2-3)计算引线电感,计算出图2-4中等效电路的总阻抗-频率曲线,如图2-6所示。

从图2-6可以看出,低频时阻抗等于电阻r,随着频率在10MHz以上的增加,电容ca的影响开始占主导,导致总阻抗降低;当频率达到20GHz左右时,出现并联谐振点。越过谐振点后,引线电感的影响开始显现,阻抗增大,逐渐呈现开路或有限阻抗值。这一结果表明,似乎与频率无关的电阻将不再仅仅是射频/微波波段的电阻,在应用中应特别注意。

电阻器的基本结构是长方体,如上图所示。在微波集成电路中,为了优化电路结构和一些寄生参数,使用了具有弯曲边缘的矩形电阻。

2号电容

在低频时,电容器一般可视为平行板结构,板的尺寸远大于板间距。电容定义为。

公式中,a为电极板面积,d为电极板间距,=0r为电极板作为填充介质的介电常数。

理想情况下,板之间的介质中没有电流。在射频/微波频率下,实际介质不是理想介质,因此介质内部存在传导电流,导致传导电流引起的损耗。更重要的是介质中的带电粒子具有一定的质量和惯性,在电磁场的作用下很难与之同步振荡,导致时间滞后和能量损失。

因此,电容器的阻抗由电导组成

从图2-8可以看出,其特性在高频带与理想电容有很大偏差。可以假设,在实际情况下,当损耗角正切本身是频率的函数时,其特性的变化会更严重。

3号电感

电子电路中常用的电感一般是线圈结构,在高频时也叫高频扼流圈。它的结构一般是沿柱状结构缠绕直导线形成的,如图。

导线的绕组构成电感的主要部分,而导线本身的电感可以忽略不计。细长螺线管的电感为。

其中r为螺线管半径,n为匝数,l为螺线管长度。考虑寄生旁路电容Cs和导线损耗的串联电阻Rs后,电感的等效电路图如图所示。

例如,一个N=3.5的铜电感,其线圈半径为1.27mm,线圈长度为1.27mm,导线半径为63.5 m,假设它可以看作是一个细长的螺线管,那么根据公式(2-10),它的电感可以计算为L=61.4nH。电容Cs可以看作平板电容产生的电容。板之间的距离假设为两个螺旋线之间的距离d=l/n=3.6 10-4 mm,板面积A=2alwire=2a(2rN),lwire为绕成线圈的导线总长度,根据公式(2-7)可得Cs=0.087pF。导线的自阻抗可以通过公式得到,即0.034。因此,可以得到图中所示等效电路对应的阻抗频率特性曲线。

从上图可以看出,这种铜电感线圈的高频特性与理想电感完全不同,其阻抗在谐振点之前迅速增大,但在谐振点之后,寄生电容cs的影响已经逐渐占优势,并逐渐减小。