网站地图

155 2793 8307

027 8745 5561

技术文章您的位置:网站首页 >技术文章 >
串联谐振|什么是共振
2021-12-10

对于我们数字设计师来说,旁路电容器是生活中的事实。它们可能不是我们最喜欢的组件,但我们不能没有它们。随着我们将设计推向越来越高的速度,了解旁路电容器在 100 MHz 至 1 GHz 范围内的表现变得至关重要。模拟设计领域的技术人员可能会指出,该频率范围远高于典型旁路组件的串联谐振频率。他们可能会说,在我们的目标频率范围内,这样的组件将变得无用,或者无法充当电容器。不要被这些论点所左右。在这个范围内你仍然可以有效地使用旁路电容。这是为什么。


良好的电源旁路系统的目的是在所有速度下在 Vcc 和 GND 之间提供非常低的阻抗连接。从 Vcc 到 GND 的低阻抗路径允许芯片从电源轨汲取巨大的电流浪涌,而不会干扰电源电压。Vcc 和 GND 之间的阻抗越低,系统的电源噪声就越小。


串联谐振

大多数设计人员都知道 Vcc 到 GND 的阻抗必须很低,但是相位呢?Vcc 到 GND 连接的相位是否重要?例如,通常与旁路电容器相关的阻抗相位角为 –90°(电压滞后电流)。如果是0度呢?还能用吗?


为了研究这个问题,让我们建立一个心理实验。首先想象一个普通的数字产品,它放置在 FR-4 基板上,并具有用于 100 个表面贴装旁路电容器的安装焊盘。接下来,在精神上用 1 欧姆电阻替换所有旁路电容器(听起来很疯狂,但继续去做吧)。这将使 Vcc-GND 阻抗等于 0.01 欧姆,对于该应用来说这是一个不错的低阻抗。除了一个细节之外,一切看起来都很好:我们用 0.01 欧姆的电阻将电源短路。没问题,因为这是一个心理实验,我们可以将一个 500 安培的电流源连接到电源端子,然后——瞧!我们制作了一个非常坚固的 5 伏电源,具有 0.01 欧姆的输出阻抗。从逻辑门的角度来看,它几乎是完美的。栅极可以吸收巨大的功率浪涌而不会产生 Vcc 噪声。盖茨不关心阻抗相位。他们只关心 Vcc 和 GND 之间的阻抗大小。


从全球变暖的角度来看,也许这不是一个好主意。每个电阻耗散 25 瓦,电路板将像七月四日一样点亮。提示:这是一个很好的尝试 Spice 的实验,但我不想构建它。


幸运的是,本专栏的前提并不取决于我们是否真的可以用 1 欧姆电阻构建一个电源系统。我只是指出,数字逻辑将适用于 Vcc 和 GND 之间的任何合理低阻抗路径,而无需考虑与该阻抗相关的相位角,无论是 –90°、0° 还是 +90°。


这个讨论的原因很简单。这是因为实际电容器的相位角会随着频率而变化(见图 1)。


image.png

图1——真实世界旁路电容器的幅度和相位


在低频时,旁路元件本质上是一个完美的电容器,其阻抗图显示的相位角为 –90°。在电容区,阻抗以每十倍频程 –20 dB 的速率下降。在某个中频(图中绘制的电容器为 10 MHz)时,组件的串联引线框架电感与其电容的大小相比变得很重要,我们进入了自谐振区。在精确的自谐振点,电容和电感效应的相互作用正好相互抵消;我们看到的只是元件的等效串联电阻 (ESR)。随着我们超越谐振,引线框架电感开始主导整个组件的行为,相位角接近 90°,


当我们从低频到中频再到高频时,阻抗行为会从电容性变为电阻性再到电感性。尽管阻抗幅度在整个地图上漂移,并且相位将极性从 –90° 翻转到 +90°,但它仍然是一个有用的旁路组件。如图所示,在 1 MHz 至 100 MHz 的范围内,该电容器保持 1 Ω 或更小的阻抗。这对于大多数数字工作来说已经足够了。从 1 到 100 MHz,一百个这样的婴儿会给我们 0.01 欧姆。请注意,在 100 MHz 时,我们将使用比其串联谐振频率高一个数量级的旁路组件。没关系。这就是旁路电容器应用的本质。


模拟应用是不同的。在模拟设计领域,尤其是在线性时不变滤波器设计中,相位就是一切。例如,在五极点巴特沃斯滤波器中,几度的相位误差会显着降低性能。在此类应用中,模拟设计人员对于在谐振附近使用电容器会非常谨慎。模拟滤波应用通常需要精确的相位响应。出于这个原因,许多模拟设计师认为电容器的串联谐振点代表类似于整个电路功能障碍的东西。他们只是不会在共振之上使用它们。


上一篇:

下一篇:变频串联谐振耐压装置分析

Copyright © 2019 武汉市华天电力自动化有限责任公司 All Rights Reserved.  鄂ICP备10001395号-3  
武汉市华天电力自动化有限责任公司(www.whhuatian.com.cn)主营:串联谐振,继电保护测试仪,直流高压发生器,回路电阻测试仪,直流电阻测试仪等产品
在线客服 二维码

扫一扫,关注我们