Q值基本概念
Q值, 品質因素, Quality Factor 是廣泛使用於物理和工程領域的一個參數, 這指的是一個機械或非機械的組件里, 共振(諧振)的能量損失比例, 是衡量一個元件或諧振回路性能的一個無量綱單位.
這個元件可以是電感, 電容, 介質諧振器, 聲表面波諧振器, 晶體諧振器或LC諧振器等, 對於諧振電路, 當Q值關聯損耗時, 直接影響到諧振電路的中間頻率及其頻率帶寬. Q值越高, 那么存儲在諧振中的能量損耗就越慢, 諧振就能存在更長的時間.
Q值的大小取決於實際應用, 對不同的應用對Q值有不同的要求, 並不是越大越好. 例如設計一個寬帶濾波器, 過高的Q值如果不采取其他措施, 將使帶內平坦度變壞. 在電源退耦電路中采用LC退耦應用時高Q值的電感和電容極容易產生自諧振狀態, 這樣反倒不利於消除電源中的干擾噪聲. 反過來, 對於振盪器我們希望有較高的Q值, Q值越高對振盪器的頻率穩定度和相位噪聲越有利.
Q值, 電感Q因素, 電感品質因素, Inductor Q, Quality Factor
這些都是指的同一個意思, 電感Q值在RF(radio frequency, 射頻, 無線電頻率)電路中是一個影響其性能的主要因素.
雖然電感(inductor)通常被認為是純的感抗元件, 但是依然會存在少量的電阻, 雖然很小, 但是是存在的. 這種直流電阻(DC resistance)就會影響到Q值, 是影響到此類元件性能的一個重要因素. 使用於RF電路中的電感器件都需要標注其Q值.
當在電路中使用電感器件時, 如果Q值重要, 那么其阻抗也是一個重要因素, 任何阻抗都會影響到其整體性能. 一個實際的電感可以被視為等價於一個純電感串聯一個純電阻的電路, 其中: L是理想電容, R是這個電容的阻抗
電容的阻抗一般由以下的效應引起:
標准的直流阻抗 Standard DC resistance: 除非是超導體, 否則阻抗是一直存在的, 大部分電感可以通過例如加粗導線直徑以及使用鍍銀線等的方法降低直流阻抗
趨膚效應 Skin Effect: 趨膚效應存在於任何交流電路, 交流電會導致電流從導體外表通過而不從中間通過, 導致阻抗的增大, 頻率越高, 趨膚效應越明顯. 要減小趨膚效應, 一般會通過使用:
- 銀仙或鍍銀線(Silver wire, silver plated wire), 這將減少導體表面電阻;
- 利茲線(Litz Wire), 來自於德語中的Litzendraht, 這是一種由多股細線編織成的粗線, 這種線能增大表面積, 從而增加了電流能流經的區域, 從而減小了電阻. 一般利茲線適用於頻率在500kHz ~ 2,000kHz 之間的電路.
信號發射損耗 Radiated energy: 當交流電流經電感時, 一部分能量將被以電波的形式發射出去, 雖然很小, 但是也是實際存在的損耗. 這與天線發射信號時表現出的阻抗是一樣的. 這也會影響到Q值
磁芯/鐵芯損耗 Core losses: 很多電感會使用鐵氧體(Ferrite)或其他形式的芯, 也會產生損耗. 主要體現在兩方面
- 渦流損耗 Eddy currents losses: 由於線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發生改變，所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。 導體內部的渦流也會產生熱量，如果導體的電阻率小，則渦流很強，產生的熱量就很大
- 磁滯損耗 Hysteresis losses: 磁滯Magnetic hysteresis指鐵磁材料的磁性狀態變化時，磁化強度滯后於磁場強度，它的磁通密度B與磁場強度 H之間呈現磁滯回線關系。經一次循環，每單位體積鐵芯中的磁滯損耗正比於磁滯回線的面積。這部分能量轉化為熱能，使設備升溫，效率降低，它是電氣設備中鐵損的組成部分，這在交流電機一類設備中是不希望的。軟磁材料的磁滯回線狹窄，其磁滯損耗相對較小
Q值的影響
1. 帶寬 Bandwidth: Q值越大, 對應的過濾器電路其帶寬就越窄, 因為能量損耗變小, 所以在其工作頻率上的性能會更好, 曲線越陡則其3db帶寬越收窄.
2. 諧振 Ringing: Q值越大越容易引起電路振盪
3. 震盪的相位噪音 Oscillator phase noise: 相位噪音是振盪器在工作時產生的隨機的相位漂移, 這是需要被抑制的, 增大Q值能減小相位噪音
4. 普通干擾信號 General spurious signals: 高Q值有利於去除干擾信號
5. 寬頻 Wide bandwidth: 射頻應用里, 有些會需要很好的頻率選擇性, 而另一些則需要覆蓋較寬的頻率范圍. 用不同的調制器, 或者固定的過濾器來提供, 這時候需要抑制Q值, 從而照顧到更寬的頻率范圍.
Q值計算公式
最基本的Q值計算公式是
Q = Estored / E lost per cycle, 而對於射頻電路來說, Q = F0 / F3db.
Q = 2⋅π⋅f⋅L / R
其中R也是隨頻率變化的, 所以要在給定頻率的條件下, 才能明確Q值.
Q值的大小與工作頻率有關. 一般的電感隨着頻率的變高其Q值也會增高, 但它有一個極限, 當超過這個極限頻率點后電感的Q值要陡然下降, 這個電感就失去了電感的作用. 在這點上介質諧振器, 聲表面波諧振器和晶體諧振器更為明顯. 當工作頻率偏離他們的諧振頻率后, 其Q值將急劇下降, 不能工作.