電容的Q值與D值

在做射頻的時候，選擇電感電容時特別關(guān)注他們的Q值，那什么是Q值呢?Q值是什么意思，它為什么重要?

品質(zhì)因數(shù)Q：表征一個儲能器件(如電感線圈、電容等)、諧振電路所儲能量同每周損耗能量之比的一種質(zhì)量指標(biāo)。元件的Q值愈大，用該元件組成的電路或網(wǎng)絡(luò)的選擇性愈佳。

或Q=無功功率/有功功率，或稱特性阻抗與回路電阻之比。

Q值越高，損耗越小，效率越高;

Q 值越高，諧振器的頻率穩(wěn)定度就越高，因此，能夠更準(zhǔn)確。

如何理解Q值和ESR值評估高頻貼片電容器的一個重要性能指標(biāo)是品質(zhì)因素Q，或者是與其相關(guān)的等效串聯(lián)電阻(ESR)。

理論上，一個“完美”的電容器應(yīng)該表現(xiàn)為ESR為零歐姆、純?nèi)菘剐缘臒o阻抗元件。不論何種頻率，電流通過電容時都會比電壓提前正好90度的相位。實際上，電容是不完美的，會或多或少存在一定值的ESR。一個特定電容的ESR隨著頻率的變化而變化，并且是有等式關(guān)系的。

這是由于ESR的來源是導(dǎo)電電極結(jié)構(gòu)的特性和絕緣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性。為了模型化分析，把ESR當(dāng)成單個的串聯(lián)寄生元。過去，所有的電容參數(shù)都是在1MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率下測得，但當(dāng)今是一個更高頻的世界，1MHz的條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一個性能優(yōu)秀的高頻電容給出的典型參數(shù)值應(yīng)該為：200MHz ，ESR=0.04Ω;900MHz， ESR=0.10Ω;2000MHz，ESR=0.13Ω。Q值是一個無量綱數(shù)，數(shù)值上等于電容的電抗除以寄生電阻(ESR)。Q值隨頻率變化而有很大的變化，這是由于電抗和電阻都隨著頻率而變。頻率或者容量的改變會使電抗有著非常大的變化，因此Q值也會跟著發(fā)生很大的變化。

定義電容的品質(zhì)因數(shù)，也就是Q值，也就是電容的儲存功率與損耗功率的比：

Qc=(1/ωC)/ESR

Q值對高頻電容是比較重要的參數(shù)。

自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

由于ESL的存在，與C一起構(gòu)成了一個諧振電路，其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前，電容的阻抗隨著頻率增加而變小;在自諧振頻率后，電容的阻抗隨著頻率增加而變小，就呈現(xiàn)感性;如下圖所示：

圖 電容的阻抗與頻率的變化圖

隨著頻率升高，電容的不理想模型會更復(fù)雜：

圖 典型的電容器件等效電路(C:電容 Rp:絕緣電阻和介質(zhì)損耗 Rs:引線/電極電阻 L:引線/電極電感)

典型的電容器件等效電路如圖所示。在這個等效電路中，容值C是最主要的部分，串連電阻Rs和電感L是由于器件管腳引線或電極產(chǎn)生的寄生參數(shù)。并聯(lián)電容Rp是反映電容兩個管腳之間存。

把以上寄生參數(shù)全部考慮之后，阻抗公式如上面公式。

由于這些寄生參數(shù)的存在，現(xiàn)實中而非理想中的電容器件的總阻抗由下面表達(dá)式中的實部和虛部兩個部分組成。

如果可以忽略電極間的泄漏，即Rp的阻抗無窮大(或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 Ls(ESL) Rs (ESR) C 于相對于容值C的阻抗)，那么上面的等效電路可以進一步簡化為下面的3元模型(如圖所示)。其中ESL為等效串聯(lián)電感Ls， ESR為等效串聯(lián)電阻Rs。

3元電路模型

根據(jù)這個簡化的電路模型，可以得到電容器件總阻抗隨頻率變化的關(guān)系，如圖所示。由于等效串聯(lián)電感LS的存在，隨著信號頻率f的增加，電容C的容抗XC降低，而極性相反的等效串連電感Ls的感抗XL 增加，在某一個頻率點f0，XC=-XL。此時電容器件的總阻抗|Z|=Rs，我們稱此頻率點f0為自諧振頻率(SRF)，小于SRF頻率時，該器件成電容特性，反之大于SRF頻率，器件發(fā)生極性轉(zhuǎn)化，成電感特性(如圖下圖所示，紅色相位曲線從-90°跳變到+90°)。

簡化電容器件電路模型的頻率特性

Q值相當(dāng)于D值的倒數(shù)。損失角即D值： 一般電解電容器因為內(nèi)阻較大故D值較高， 其規(guī)格視電容值高低決定， 為0.1-0.24以下。 塑料薄膜電容器則D值較低， 視其材質(zhì)決定為0.001-0.01以下。 陶瓷電容器視其材質(zhì)決定， Hi-K type 及S/C type為0.025以下。 T/C type其規(guī)格以Q值表示需高于400-1000.

注：XC=-j/(2πfC);XL=j(2πfL)

根據(jù)損耗因子D的定義：D=1/Q=R/|X|>0 將前面的公式代入，得到：

如果可以忽略電極間的泄漏，即Rp的阻抗無窮大(或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相對于容值C的阻抗)，損耗因子D的計算公式大大簡化為：

如果信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SRF諧振頻率，則X C >>X L , 即X L 可以忽略，則公式進一步簡化

即上面提到的：

由圖可見，電容器的引線電感將隨著頻率的升高而降低電容器的特性。如果引線電感與實際電容器的電容諧振，這將會產(chǎn)生一個串聯(lián)諧振，使總電抗趨向為0W。由于這個串聯(lián)諧振產(chǎn)生一個很小的串聯(lián)阻抗，所以非常適合在射頻電路的耦合和去耦電路中應(yīng)用。然而，當(dāng)電路的工作頻率高于串聯(lián)諧振頻率時，該電容器將表現(xiàn)為電感性而不是電容性。

關(guān)注公眾號“優(yōu)特美爾商城”，獲取更多電子元器件知識、電路講解、型號資料、電子資訊，歡迎留言討論。

審核編輯：湯梓紅