在大多数电子电路中,打交道最多的除了已经做好的芯片之外,最常见就是电阻,电容,电感这些分立元件了,其实他们也并不复杂,但是很多人一听到各种概念名词都懵了,我也解释得比较多,最近也没什么好写,刚好给别人稍微补习了一下这些知识,我也顺带记录下来,特别说明,我自己也不是模电专家,所以很多东西我只能定性分析,无法定量分析,大神看到就别喷了.
电阻应该是这么多东西里最简单的,毕竟欧姆定律从高中就有学了,哪怕是文科生也能知道他的存在,我们日常设计中通常选择电阻考虑得比较多的也是流经他的电阻,毕竟封装越小,能支持的功率就越小嘛,我们常用0603一般只能通过1/10W功率,对于阻值特别小或者电压特别高的情况,肯定是需要好好想一想的.如果涉及到电路采样电阻,或者反馈调节电阻,还要考虑到他的精度影响.至于电阻有哪些具体的阻值,最好还是上卖电阻的地方查拉.
电阻的特性分两部分讨论,如果电阻在频率很高的电路中等效于串联一个电感,并联一个电容,所以这就会涉及到更复杂的分析,甚至还包含了LC并联谐振.
因为有电容和电感存在,所以他还存在阻抗,不要被这个词吓到,阻抗其实就是电阻+电抗,电抗其实就是以带有虚数单位表达的近似等效电阻.当然,如果工作频率很低,他其实就只是一个电阻,纯纯的电阻.
串联电阻则总电阻就是挨个加起来那么大,所以他总是大于最大的哪一个.
而对于并联电阻就是挨个加起来的倒数那么大,所以他总是小于最小的哪一个.
电阻也常用于分压,来设置一个固定的电压参考,不一定是哪个具体数值,但是他肯定能按比例分割,电阻越小,分到的电流越大,这些都是欧姆定律U=IR早就告诉我们的.
为了方便记忆,电阻理解成是水管,大电阻就是阻碍更强的水管就是小水管了,所以串联时候电流处处相等,反过来并联特性就不一样,这就解了.还有一些类似NTC热敏电阻,可调电阻器等等也很常见,反正分析时候也是当他普通电阻来分析,只是他会根据某些条件自动调节或者手动调节罢了.至于电阻的高频特性,记得上面的图,后面讲完电容电感,再自行计算就知道.
特别说明,不存在那么理想的直流电源,直流信号源,交流电信号只是说明他电流方向有来回变化,并不一定要越过零点,所以高频时的等效电路中,C0的容抗,L0的感抗也是需要考虑的.
电容又稍微复杂一些,电容在低频时也是一个理想电容,但是高频时也是有附加的电阻和电感的.其中现在的电容品质因素都不错的,所以Rc可以理解成无穷大,不参与分析,可以简化电路,事实上我网上找图时候,也找了好久才找到带Rc这个描述的图,但是这个图才严谨,当然,这里也可能包含LC串联谐振.
电容具体有哪些容量,最好还是去卖电容的地方查,两个极板的面积越大,间距越小,越能储存电荷,电容就越大,电容有一个特别重要特性,可以贯穿几乎所有电路分析中,那就是隔直通交,试想一下,什么情况下叫做电路是通的,是不是得有电子流过,如果一个直流电给电容充电,充满了,这个电路就不需要再流入任何电子到电容里了,电子是不是就不会再变化,这就等于断开了.
电容的容抗可以用下面的公式表示:
其中,Zc就是容抗,其实就是相对来说得近似等效电阻,所以只要计算出容抗,他又回到一开始电阻分析得套路里,j是虚数单位,所以这里叫容抗不叫容阻,ω是角频率,单位是rad/s,C是电容量,单位是法拉.
现在我们想想,在设计很多数字芯片的外围电路的时候,都有很多0.1uF的电容对吧,在低频假设50Hz下,他相当于32KΩ,在高频假设25MHz下,他只有0.06Ω,所以他的作用是把电源的高频分量,导入地,这样输入数字芯片的电源就比较干净,这也是为什么这个电容要尽量靠近VCC引脚放置,难不成希望这些高频干扰整个板子传一遍吗?至于大的电容,比如1mF那么夸张的大,哪怕是50Hz下,他也有大约10Ω的容抗,所以更多是储能用.
如果你套公式算一遍,你会发现他的大小是一个负数,那是因为他会导致移相滞后90度,后面会讲一下这一点,这里先知道,他结果是一个负数.
电感用的不太多,主要还是很多人可能跟我一样,以前一直都是用LDO,也不太会设计模拟电路,所以感觉电感就离我们太远了,而且电感的特性也决定他真的挺难用的,毕竟他储存的磁能又不稳定,还会往外辐射,会影响到其他电路,甚至是附近的IO信号,所以一开始我也挺怕使用电感的高速低压板设计.电感家族除了电感之外,和磁相关的都可以认为是电感的近亲,比如喇叭,磁棒天线等等,电感在高频工作时,也是有自己的等效电路的.
我们选择电感时候,要考虑他的饱和电流,电感容量,当然他作为一个储能元件,如果饱和电流太小,那他储能能力就会下降,具体饱和电流能力多少,当然是看有什么参数的可以卖了,电感的自感值一般是在1kHz下测试得出的,然后通过Φ=L*I知道磁通量,再根据磁通量除以磁芯面积与磁芯材料磁感应强度的乘积,得到饱和电流,有点绕是吧,反正我们根据电路要多大,我们就找多大的买就行了,给自己留点余量就够了.
电感的感抗公式是:
其中f就是频率,单位是Hz,L单位是亨,对比容抗,他是频率越高,感抗越大.
电感最重要的特点就是阻碍电流的变化,这句话有点拗口,我也确实想过很多办法去解释,假设你现在要给这个电感电流通电,你打算以1A的电流发送过去的,结果电感有反向电动势,他会阻碍你变化,你打算不再送电可,他又觉得你挺可惜的,又继续自己释放磁能继续送电.法拉第电磁感应定律可以解释,这也可以解释LC串联谐振电路,电容给电感充能,速度受电感反向电动势减速,当电容没法输出能量了,电感又因为要维持电流方向只能释放磁能.
到现在发现什么了没有,虽然各种等效一定程度上干扰了电路,但是实际影响又没那么大,不妨套入公式计算一下,有了容抗和感抗的计算,我们可以顺利的把各种电类似电阻的计算.
如果一个合适的电容和一个合适的电感串联,就形成了LC谐振都是可以推导出来的.其假设条件是Xc=Xl,因为如果不在谐振点,那么总有要不电路受感抗独立控制,要不受到容抗独立控制,特别是并联时候尤为明显,所以存在如下.
整理可得.
不管串联还是并联都是这个.串联谐振时,等效阻抗最小,比如我要使电路中把10MHz这个高频部分去掉,使用电容也可以,前面已经说了,但是使用LC串联谐振也可以,我们选择25nF电容,1uH电感,大概得出在10MHz下6Ω的阻抗,在阻抗点的频率会被LC串联电路所旁路,如果是旁路到地,就等于滤波了.
如果上面条件改成LC并联谐振,则选择出来的是最大阻抗点,虽然也是6Ω的阻抗,但是当偏离谐振点的时候,等效阻抗会比6Ω要更小,所以他目的是削弱谐振点的信号强度的.
其实电路就是这么简单,一切我们都转成近似等效电阻来看,又回到高中知识了.当然如果要细致分析,不管是电容还是电感都有品质因素,电感也有可调电感,也有很多人拿变压器线圈当电感一部分,电容也有可调电容,但是不管是什么情况,都是抓住前面说的基础,都能很轻松的分析.比如高频工作中,电阻是不是看起来变小了呢?