E問(wèn)E答：電容的Q值和D值是什么意思？

　　在做射頻的時(shí)候，選擇電感電容時(shí)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Q：表征一個(gè)儲能器件(如電感線(xiàn)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。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(wú)功功率/有功功率，或稱(chēng)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，諧振器的頻率穩定度就越高，因此，能夠更準確。

　　如何理解Q值和ESR值評估高頻貼片電容器的一個(gè)重要性能指標是品質(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(gè)“完美”的電容器應該表現為ESR為零歐姆、純容抗性的無(wú)阻抗元件。不論何種頻率，電流通過(guò)電容時(shí)都會(huì )比電壓提前正好90度的相位。實(shí)際上，電容是不完美的，會(huì )或多或少存在一定值的ESR。一個(gè)特定電容的ESR隨著(zhù)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(lái)源是導電電極結構的特性和絕緣介質(zhì)的結構特性。為了模型化分析，把ESR當成單個(gè)的串聯(lián)寄生元。過(guò)去，所有的電容參數都是在1MHz的標準頻率下測得，但當今是一個(gè)更高頻的世界，1MHz的條件是遠遠不夠的。一個(gè)性能優(yōu)秀的高頻電容給出的典型參數值應該為：200MHz ，ESR=0.04Ω;900MHz， ESR=0.10Ω;2000MHz，ESR=0.13Ω。Q值是一個(gè)無(wú)量綱數，數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(zhù)頻率而變。頻率或者容量的改變會(huì )使電抗有著(zhù)非常大的變化，因此Q值也會(huì )跟著(zhù)發(fā)生很大的變化。

　　定義電容的品質(zhì)因數，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。

　　自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)

　　由于ESL的存在，與C一起構成了一個(gè)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(zhù)頻率增加而變小;在自諧振頻率后，電容的阻抗隨著(zhù)頻率增加而變小，就呈現感性;如下圖所示：

　　隨著(zhù)頻率升高，電容的不理想模型會(huì )更復雜：

　　(C:電容 Rp:絕緣電阻和介質(zhì)損耗 Rs:引線(xiàn)/電極電阻 L:引線(xiàn)/電極電感)

　　典型的電容器件等效電路如圖1所示。在這個(gè)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(xiàn)或電極產(chǎn)生的寄生參數。并聯(lián)電容Rp是反映電容兩個(gè)管腳之間存。

　　把以上寄生參數全部考慮之后，阻抗公式如上面公式。

　　由于這些寄生參數的存在，現實(shí)中而非理想中的電容器件的總阻抗由下面表達式中的實(shí)部和虛部?jì)蓚€(gè)部分組成：

　　如果可以忽略電極間的泄漏，即Rp的阻抗無(wú)窮大(或遠遠大 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(jìn)一步簡(jiǎn)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。

　　根據這個(gè)簡(jiǎn)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(zhù)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(gè)頻率點(diǎn)f0，XC=-XL。此時(shí)電容器件的總阻抗|Z|=Rs，我們稱(chēng)此頻率點(diǎn)f0為自諧振頻率(SRF)，小于SRF頻率時(shí)，該器件成電容特性，反之大于SRF頻率，器件發(fā)生極性轉化，成電感特性(如圖下圖所示，紅色相位曲線(xiàn)從-90°跳變到+90°)。

　　Q值相當于D值的倒數。損失角即D值: 一般電解電容器因為內阻較大故D值較高, 其規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其規格以Q值表示需高于400-1000.

　　注：XC=-j/(2πfC);XL=j(2πfL)

　　根據損耗因子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(wú)窮大(或遠遠大于相對于容值C的阻抗)，損耗因子D的計算公式大大簡(jiǎn)化為：

　　如果信號頻率遠遠小于SRF諧振頻率，則X C >>X L , 即X L 可以忽略，則公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化

　　即上面提到的：

　　由圖可見(jiàn)，電容器的引線(xiàn)電感將隨著(zhù)頻率的升高而降低電容器的特性。如果引線(xiàn)電感與實(shí)際電容器的電容諧振，這將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)串聯(lián)諧振，使總電抗趨向為0W。由于這個(gè)串聯(lián)諧振產(chǎn)生一個(gè)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用。然而，當電路的工作頻率高于串聯(lián)諧振頻率時(shí)，該電容器將表現為電感性而不是電容性。