電阻不再是電阻——高頻時確實如此

許多設(shè)計師沒有意識到實際元件中的寄生因素會影響它們的值。當頻率達到幾百兆赫茲時，諸如電阻、電感和電容等基本元件都會呈現(xiàn)出非理想的特性。這種變化在設(shè)計濾波器或試圖優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)、旁路網(wǎng)絡(luò)或偏置電路時將變得非常關(guān)鍵。

我們將在后續(xù)文章中討論電容和電感?，F(xiàn)在讓我們討論最常見的電阻。下面是電阻的理想阻抗曲線，正如你期望的那樣，是一條直線。

圖1：理想電阻的阻抗與頻率之間的關(guān)系曲線表明在所有頻率下阻抗都是相同的值。

現(xiàn)在讓我們考慮一個具有短引線的碳質(zhì)電阻。通過增加引線的寄生電感和電阻端帽之間的并聯(lián)電容就可以得到下面這種高頻時的簡化模型。

圖2：典型電阻在高頻時的簡化模型，其中包含了并聯(lián)電容和串聯(lián)電感。

(引線長度為1/4英寸的)碳質(zhì)電阻的典型串聯(lián)電感為14nH，并聯(lián)電容為1-2pF。

如果繪出這種簡化模型的頻率曲線，你應(yīng)該會看到下面這個理想的阻抗圖。

圖3：實際電阻的理想阻抗圖上有幾個不同的點，分別展示了電阻主導(dǎo)、電容減少阻抗和電感增加阻抗的特性。

在較低頻率時，圖中的曲線是純阻性的(水平直線)。但隨著頻率的增加，并聯(lián)電容將占主導(dǎo)地位，阻抗開始以20dB/10倍頻下降。電阻現(xiàn)在變成了電容，這里出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點。

圖中還有一個容性電抗等于感性電抗的點。在這個短暫的瞬間，阻抗再一次變?yōu)榧冏栊?雖然阻值要小得多)。串聯(lián)諧振就發(fā)生在這個轉(zhuǎn)折點。

在這個點之后，串聯(lián)的引線電感占主導(dǎo)地位，可憐的電阻變成了電感。它的阻抗曲線以20dB/10倍頻的斜率上升。

為了幫助說明，我測量了一個引線長度為1/4英寸的碳質(zhì)電阻，并繪出了下面這張圖。

圖4：帶短引線的1kΩ碳質(zhì)電阻的阻抗測量圖。

由于圖中只給出了從1MHz到450MHz的頻率變化，因此看不到由于串聯(lián)電感而引起的阻抗增加那段曲線。然而在100MHz時，你可以看到1kΩ電阻的阻抗已經(jīng)下降到約730Ω。在300MHz時，阻抗只有300Ω了。

即使在使用串聯(lián)電感為1-2nH、并聯(lián)電容為0.2-0.4pF的典型表貼元件時，高達數(shù)百兆赫茲的頻率也會影響阻抗測量值。

通過理解實際元件的寄生因素對阻抗的影響，你將明白為何要保持引線長度和電路走線盡可能短、為何在高頻設(shè)計中表貼元件性能更加優(yōu)異。

你遇到過隨著頻率的增加串聯(lián)電感或并行電容改變的情況嗎?這種情況將如何影響你的設(shè)計性能呢?