電阻不再是電阻——高頻時確實如此

許多設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。這種變化在設計濾波器或試圖優(yōu)化供電網絡、旁路網絡或偏置電路時將變得非常關鍵。

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、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)生在這個轉折點。

在這個點之后，串聯(lián)的引線電感占主導地位，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英寸的碳質電阻，并繪出了下面這張圖。

圖4：帶短引線的1kΩ碳質電阻的阻抗測量圖。

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計性能呢?