在电子领域中,电容-||-是一种极为常见且重要的元件。而电容的自谐振频率,作为一个关键特性,却常常让很多人感到困惑。那么,电容的自谐振频率到底是什么呢?今天,小禾带你揭开它的神秘面纱。
以最常见的村田(Murata)贴片电容为例,其采用先进的多层结构设计,在较小的体积内实现较大的电容容量,为电子设备的小型化和高度集成化提供了支持。外部电极镀 Sn 提高可焊性:对外部电极镀锡,增强了焊接的稳定性和可靠性,便于在电路板上进行焊接安装。
实际的电容不可避免的会包含一些寄生电感(ESL)、串联寄生电阻(ESR)、并联寄生电阻(Rleak)等。
村田提供的电容模型要远比这些复杂的多,下面就是小禾导入了Murata一个GRM电容的模型,模型中一共包括7个电容,11个电阻,4个电感一共22个器件。
电容的自谐振频率是指当电容与它自身的电感以及等效串联电阻形成一个谐振电路时的频率。我们为了简明扼要的分析自谐振频率,这里还是以RLC串联模型为电容的等效模型。电容的自谐振频率就是这个RLC环路的谐振频率。在这个频率下,电容的阻抗最小,表现为纯电阻特性,其值恰巧等于串联谐振里的电阻R。简单来说,自谐振频率是电容在特定条件下表现出特殊电学行为的一个关键指标。
一个理想的电容在低频时,其阻抗随着频率的增加而减小,呈现出容性。但当频率升高到一定程度时,由于电容自身存在的电感开始起作用,电容的阻抗会先减小到一个最小值,然后随着频率的继续增加而增大,表现出感性。这个阻抗最小的点所对应的频率就是电容的自谐振频率。
在实际电路中,电容的自谐振频率对电路的滤波、耦合、去耦等功能有着重要影响。如果电路的工作频率接近或超过电容的自谐振频率,电容将不再起到预期的作用,甚至可能对电路产生不良影响。
通常相同尺寸的电容,寄生电感基本是一致,所以容值C越大,自谐振频率也就越低。
我们观察下面1nF和1uF两个滤波电容,当电源干扰频率<ω1时,1uF提供更小的容抗,能够很好地滤除电源干扰。但当电源干扰频率>ω1时,1uF此时就起不到很好的滤波效果啦。需要选择更小的电容,譬如,1nF来滤除高频的干扰。当然如果想滤除更高频的杂散,我们需要更小的电容。
例如,在电源去耦电路中,通常需要选择自谐振频率高于电路工作频率的电容,以确保电容能够有效地滤除电源中的高频噪声。如果电容的自谐振频率过低,就无法有效地去除高频噪声,从而影响电路的稳定性和可靠性。
如果想滤除全频带内的干扰信号呢?大家很容易想到可以把这些电容并联,经过一番组合,形成如下的电容阶梯排列,既能滤除低频干扰,又能消除高频干扰。
了解电容的自谐振频率可以帮助工程师在设计电路时正确选择合适的电容。不同类型、不同规格的电容具有不同的自谐振频率,因此需要根据电路的具体要求来选择合适的电容。
对于高频电路,需要选择具有高自谐振频率的电容,如陶瓷电容;而对于低频电路,可以选择自谐振频率相对较低的电容,如铝电解电容。
通常可以通过查找官方资料和仿真电容模型得到电容的自谐振频率。以村田电容为例,基本上提供了以下几种方法在设计初期得到电容的谐振频率。
>仿真其S2P参数
>使用村田ADS模型
>使用Spice网表
>使用CAE 3D模型仿真电磁
>查找电容datasheet
>使用Simsurfing
前面几种这里就先不介绍了,因为小禾比较懒。。。这里主要说一下这个Simsurfing这个简单又好用的在线工具,在Murata官网直接可以进入。
选好电容型号后,通过下面步骤点击几下,你就能轻松看到看到对应电容的DC、AC等特性,当然也包括其自谐振频率特性。
当然,村田等电容既有官方测试数据又有仿真模型,一般不必重复验证其自谐振特性。假如,为了贪图便宜,禾粉们用到一些小品牌电容,其没有提供自谐振数据时,我们就要通过测量来得到其特性数据啦。可以使用专业的仪器,如网络分析仪,来测量电容的自谐振频率。网络分析仪可以通过向电容施加不同频率的信号,然后测量电容的阻抗,从而确定电容的自谐振频率,如果要得到其精确的阻抗特性,那就需要用到去嵌(De-embeded)啦,具体方法可以参考小禾前面的文章。
另外,也可以通过搭建简单的电路,如 LC 谐振电路,来近似测量电容的自谐振频率。这种方法虽然精度相对较低,但在一些简单的应用中仍然可以提供有用的参考。
电容的自谐振频率是电容的一个重要特性,它对电路的性能有着重要影响。了解电容的自谐振频率,可以帮助工程师在设计电路时正确选择合适的电容,提高电路的稳定性和可靠性。同时,通过采取一些方法来提高电容的自谐振频率,可以进一步优化电路的性能。
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