这些电路基础知识,你还知道吗?

时间:2014-04-23来源:电子产品世界

3d玩法 www.bj1zz.cn   我们一直在强调基础的重要性,现如今的电子工程师,其实是代码工程师,对于一些基本的模拟电路基础已经遗忘了,或者根本没有弄清楚,高屋建瓴不可取,扎实的理论功底是十分重要的。

  先来说说一些基本的概念,导体、半导体、绝缘体、电介质。

  什么是导体呢?并不是能导电的物体叫导体,不能导电的物体叫绝缘体,导体是善于导电的物体,即是能够让电流通过材料;那为什么金属善于导电呢?在金属中,部分电子可以脱离原子核的束缚,而在金属内部自由移动,这种电子叫做自由电子。当电子处于外部电场中时,受到电场力的作用,会产生定向移动,产生电流,金属导电,靠的就是自由电子。

  而溶液的导电性靠的是溶液中离子的游动来传导电荷,能够传导电流的溶液称为电解质溶液。

  通常情况下,电阻率小于10^(-5)Ω·m的称导电体,如金属材料等。电阻率大于10^8Ω·m的称绝缘体,如陶瓷、橡胶、塑料等材料。介于两者之间的称半绝缘体或半导体。

  电介质,电工中一般认为电阻率超过10欧/厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着,因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下,这些电荷也只能在微观范围内移动,产生极化。在静电场中,电介质内部可以存在电场,这是电介质与导体的基本区别。

  导体靠自由电荷传导来导电,而电介质是以感应而不是以传导的形式来传递电的作用和影响的。

  相对介电常数就是用来表征电介质极化强度的量,由此引出电容的概念,

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以平板电容器为例, 即为填充在电容两极板间

 

的电介质的介电常数,S为极板面积,d为极板距离。 越大,极化强度越强,S面积越大,极板可容纳电荷越多,C与极板间距离d成反比。

  一个电容的容值是固定的,而且电容的是有耐压值的, C=Q/U,就是说当极板间的电压升高时,电容极板上存储的电荷量随之增加,但是当电压达到了耐压值时,由于极板间所能容纳的电荷已经达到最大值,电介质的极化强度也达到最大值,再升高电压,介质就无法束缚电荷,而变为传导电荷,就会造成电容的击穿,当然这只是宏观的理解,如果深究电容击穿的机理,请查阅其它资料。

  我为什么要说电容呢?因为很多时候由于电容的存在,导致了模拟电路的复杂性,所以很好的理解电容还是很重要的,包括它的微观机制。

  纯水是介电常数较高的电介质,但是我们生活中用的水,由于里面溶解有各种离子等杂质,所以导致了介电常数的大大降低,也就容易导电。

  模拟电路中的无源元件主要有电阻、电容和电感,电阻是比较容易理解的元件,其阻值是一个不随频率变化的量,而电容则不然,其容抗值随着频率的升高而逐渐下降,在频域分析时,电容需用1/Cs替换,其中s是一个频率相关的量,用jw替换,j2=-1,w为角频率,单位是弧度/秒,因此可以看出,在频域内,电容的容抗值随频率是单调下降的,单独的一个电容也是比较容易理解的。

  相信大家都知道我们在设计电路时,都要在集成芯片的电源和地管脚之间放2个旁路电容,容值一大一小,其目的是将电源上的一些干扰滤掉,为什么要用2个呢?按理说小电容完全是没必要的,交流的成分都会从大电容走掉,因为由1/Cs知,大电容的容抗永远低于小电容,其根本原因是,我们认为的电容是理想的,而实际上在高频时由于大电容的感性效应,使得高频时感抗较高,因此需要用一个小电容滤除高频纹波。

 

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  去耦电容

  下面我们再看一下,当一个电阻和电容串联时,会发生哪些变化呢?

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  RC串联

  先来列写阻抗方程:

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可以看出实部(R值)始终保持不变,虚部随频率增加而逐渐减小。

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  RC并联

  当R与C并联时,

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将S用jw代入,得:
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       此时,如果用复平面来表示阻抗变化情况,如下图所示,当频率较低时,相当于直流时,容抗很大,电流主要流经电阻,当频率较高时,容抗很低,电流主要流经电容,而将电阻短路掉,在频率无穷大时,阻抗为0。

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  复平面阻抗图

  如果我们用导纳来列写RC并联的导纳方程,导纳的实部为电导,电导为电阻的倒数,虚部为电纳,电纳为电容的倒数,导纳为阻抗的倒数,Y=1/Z,列写导纳方程时,将电阻用1/R替换,电容C用Cs替换,将元件的并联看作串联,由此列写RC并联导纳方程为:

图片 [3d玩法]

  因此在元件并联的情况下,多用导纳来表征,串联时用阻抗的形式比较简单。

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