Q值基本概念
Q值, 品质因素, Quality Factor 是广泛使用于物理和工程领域的一个参数, 这指的是一个机械或非机械的组件里, 共振(谐振)的能量损失比例, 是衡量一个元件或谐振回路性能的一个无量纲单位.
这个元件可以是电感, 电容, 介质谐振器, 声表面波谐振器, 晶体谐振器或LC谐振器等, 对于谐振电路, 当Q值关联损耗时, 直接影响到谐振电路的中间频率及其频率带宽. Q值越高, 那么存储在谐振中的能量损耗就越慢, 谐振就能存在更长的时间.
Q值的大小取决于实际应用, 对不同的应用对Q值有不同的要求, 并不是越大越好. 例如设计一个宽带滤波器, 过高的Q值如果不采取其他措施, 将使带内平坦度变坏. 在电源退耦电路中采用LC退耦应用时高Q值的电感和电容极容易产生自谐振状态, 这样反倒不利于消除电源中的干扰噪声. 反过来, 对于振荡器我们希望有较高的Q值, Q值越高对振荡器的频率稳定度和相位噪声越有利.
Q值, 电感Q因素, 电感品质因素, Inductor Q, Quality Factor
这些都是指的同一个意思, 电感Q值在RF(radio frequency, 射频, 无线电频率)电路中是一个影响其性能的主要因素.
虽然电感(inductor)通常被认为是纯的感抗元件, 但是依然会存在少量的电阻, 虽然很小, 但是是存在的. 这种直流电阻(DC resistance)就会影响到Q值, 是影响到此类元件性能的一个重要因素. 使用于RF电路中的电感器件都需要标注其Q值.
当在电路中使用电感器件时, 如果Q值重要, 那么其阻抗也是一个重要因素, 任何阻抗都会影响到其整体性能. 一个实际的电感可以被视为等价于一个纯电感串联一个纯电阻的电路, 其中: L是理想电容, R是这个电容的阻抗
电容的阻抗一般由以下的效应引起:
标准的直流阻抗 Standard DC resistance: 除非是超导体, 否则阻抗是一直存在的, 大部分电感可以通过例如加粗导线直径以及使用镀银线等的方法降低直流阻抗
趋肤效应 Skin Effect: 趋肤效应存在于任何交流电路, 交流电会导致电流从导体外表通过而不从中间通过, 导致阻抗的增大, 频率越高, 趋肤效应越明显. 要减小趋肤效应, 一般会通过使用:
- 银仙或镀银线(Silver wire, silver plated wire), 这将减少导体表面电阻;
- 利兹线(Litz Wire), 来自于德语中的Litzendraht, 这是一种由多股细线编织成的粗线, 这种线能增大表面积, 从而增加了电流能流经的区域, 从而减小了电阻. 一般利兹线适用于频率在500kHz ~ 2,000kHz 之间的电路.
信号发射损耗 Radiated energy: 当交流电流经电感时, 一部分能量将被以电波的形式发射出去, 虽然很小, 但是也是实际存在的损耗. 这与天线发射信号时表现出的阻抗是一样的. 这也会影响到Q值
磁芯/铁芯损耗 Core losses: 很多电感会使用铁氧体(Ferrite)或其他形式的芯, 也会产生损耗. 主要体现在两方面
- 涡流损耗 Eddy currents losses: 由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。 导体内部的涡流也会产生热量，如果导体的电阻率小，则涡流很强，产生的热量就很大
- 磁滞损耗 Hysteresis losses: 磁滞Magnetic hysteresis指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，它是电气设备中铁损的组成部分，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小
Q值的影响
1. 带宽 Band Q值越大, 对应的过滤器电路其带宽就越窄, 因为能量损耗变小, 所以在其工作频率上的性能会更好, 曲线越陡则其3db带宽越收窄.
2. 谐振 Ringing: Q值越大越容易引起电路振荡
3. 震荡的相位噪音 Oscillator phase noise: 相位噪音是振荡器在工作时产生的随机的相位漂移, 这是需要被抑制的, 增大Q值能减小相位噪音
4. 普通干扰信号 General spurious signals: 高Q值有利于去除干扰信号
5. 宽频 Wide band 射频应用里, 有些会需要很好的频率选择性, 而另一些则需要覆盖较宽的频率范围. 用不同的调制器, 或者固定的过滤器来提供, 这时候需要抑制Q值, 从而照顾到更宽的频率范围.
Q值计算公式
最基本的Q值计算公式是
Q = Estored / E lost per cycle, 而对于射频电路来说, Q = F0 / F3db.
Q = 2⋅π⋅f⋅L / R
其中R也是随频率变化的, 所以要在给定频率的条件下, 才能明确Q值.
Q值的大小与工作频率有关. 一般的电感随着频率的变高其Q值也会增高, 但它有一个极限, 当超过这个极限频率点后电感的Q值要陡然下降, 这个电感就失去了电感的作用. 在这点上介质谐振器, 声表面波谐振器和晶体谐振器更为明显. 当工作频率偏离他们的谐振频率后, 其Q值将急剧下降, 不能工作.