news 2026/2/7 3:49:18

高频信号处理篇---电阻、电容、电感

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
高频信号处理篇---电阻、电容、电感

低频状态:

一、电阻(R)—— 像“水管里的海绵”

作用:阻碍电流,消耗电能变热。
单位:欧姆(Ω)

1. 串联(首尾相连,一条路)

公式:总电阻R总 = R₁ + R₂ + R₃ + …
为什么:海绵一个接一个,阻力直接相加。
:3Ω + 5Ω =

2. 并联(头连头、尾连尾,多条路)

公式1/R总 = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + …
为什么:多条路同时走,总阻力反而变小。
快捷计算:两个电阻并联时:
R总 = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)
:3Ω 和 6Ω 并联 → (3×6)/(3+6) = 18/9 =(比最小的还小)


二、电容(C)—— 像“储水的水桶”

作用:储存电荷(电能),隔直通交。
单位:法拉(F),常用 μF、pF

1. 串联(水桶串着放)

公式1/C总 = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃ + …
为什么:桶的容量变小了(储存能力下降),因为电荷要一个个传过去。
快捷计算:两个电容串联:C总 = (C₁ × C₂) / (C₁ + C₂)
:两个 10μF 串联 → (10×10)/(10+10) = 100/20 =5μF(容量减半)

2. 并联(水桶并排放)

公式C总 = C₁ + C₂ + C₃ + …
为什么:桶的容量直接相加,能存更多电荷。
:10μF + 20μF =30μF


三、电感(L)—— 像“水流的惯性飞轮”

作用:阻碍电流变化,储存磁能。
单位:亨利(H),常用 mH、μH

1. 串联(飞轮串在一起)

公式L总 = L₁ + L₂ + L₃ + …
为什么:惯性叠加,更难改变电流。
:2mH + 3mH =5mH

2. 并联(飞轮并排转)

公式1/L总 = 1/L₁ + 1/L₂ + 1/L₃ + …
为什么:多个路径分散了惯性,总惯性变小。
快捷计算:两个电感并联:L总 = (L₁ × L₂) / (L₁ + L₂)
:两个 6mH 并联 → (6×6)/(6+6) = 36/12 =3mH


四、一句话总结规律

元件串联公式(像什么)并联公式(像什么)
电阻直接相加(海绵叠厚)倒数相加(路多好走)
电容倒数相加(桶变窄)直接相加(桶变多)
电感直接相加(惯性叠加)倒数相加(惯性分散)

巧记口诀

  • 电阻:串加并减

  • 电容:串减并加

  • 电感:串加并减(和电阻一样)


五、高频下的特殊注意

在高频电路中,这些元件会“变脸”:

  • 电容:高频时像个小电感(引线电感)。

  • 电感:高频时像个小电容(匝间电容)。

  • 电阻:高频时像电容+电感组合(寄生参数)。

实际设计时必须用仪器测量仿真软件验证,不能只靠公式!

高频状态:

一、交流电路:元件们的“舞蹈派对”🎵

在交流电(AC)中,电压和电流像正弦波一样不断变化方向。三个元件对变化的“反应速度”不同,导致它们的电压和电流不同步——这叫相位差

1. 电阻(R)——“跟拍舞者”

  • 反应:电压和电流完全同步(同相位)。

  • 公式V = I × R(和直流一样)

  • 形象比喻:就像你推一个物体,它立刻移动,没有延迟。

2. 电容(C)——“慢热舞者”

  • 反应:电流超前电压90°(π/2)。

  • 为什么:电容先要充电(电流大)才能建立电压。

  • 形象比喻:像给水桶灌水——水流(电流)先进去,水位(电压)才慢慢上升。

  • 容抗Xc = 1/(2πfC)

    • 频率f越高,容抗越小(高频容易通过)→电容通高频、阻低频

3. 电感(L)——“惯性舞者”

  • 反应:电压超前电流90°(π/2)。

  • 为什么:电感反对电流变化,需要时间“跟上”。

  • 形象比喻:像推沉重的飞轮——先用力(电压)推,转速(电流)才慢慢起来。

  • 感抗XL = 2πfL

    • 频率f越高,感抗越大(高频难通过)→电感通低频、阻高频


二、谐振电路:电容和电感的“双人舞”💃🕺

当电容和电感组合在一起时,会发生奇妙的谐振现象——就像两个人找到完美节奏,一起大幅摆动!

1. 什么是谐振?

  • 条件:电容的容抗Xc= 电感的感抗XL

  • 谐振频率公式
    f₀ = 1/(2π√(LC))

    • L:电感值,C:电容值

    • 这就是电路的“自然节奏”

2. 两种谐振电路

A. 串联谐振(电流最大)
  • 电路:R、L、C 串联

  • 谐振时特点

    1. 阻抗最小(只剩电阻R)

    2. 电流最大(因为阻抗最小)

    3. L和C上的电压可能远大于电源电压(电压放大)

  • 形象比喻
    像两个人荡秋千——你推我拉节奏正好时,秋千荡得最高(电压放大),但推的人(电源)不用很费力(电流大)。

  • 应用:收音机选台(从众多电台中选出特定频率)

B. 并联谐振(阻抗最大)
  • 电路:L和C并联后,再与R串联

  • 谐振时特点

    1. 阻抗最大

    2. 电流最小(总电流)

    3. L和C支路的环流可能很大(电流在L和C之间循环)

  • 形象比喻
    像两个人面对面传球——球(能量)在两人间来回传递,外人(电源)几乎不需要加入新球。

  • 应用:滤波器(阻止特定频率通过)


三、直观对比表

特性串联谐振并联谐振
阻抗最小(≈R)最大
总电流最大最小
别名电压谐振电流谐振
能量流动电源↔电路L和C之间循环
典型应用选频、天线匹配滤波器、振荡器

四、高频下的实际考虑

在实际高频电路中:

  1. 元件不理想:电容有等效电感,电感有等效电阻。

  2. Q值(品质因数):衡量谐振的“尖锐程度”

    • Q值高:选频好,但带宽窄

    • Q值低:带宽宽,但选择性差

  3. 寄生参数:导线长度、焊盘电容都会影响谐振频率。


五、生活实例

  1. 收音机调台:旋转旋钮改变可变电容C,改变谐振频率f₀,让电路只“响应”某个电台频率。

  2. Wi-Fi天线:设计在2.4GHz谐振,高效接收/发射信号。

  3. 金属探测器:当金属靠近时,改变了电路的L或C,谐振频率偏移,发出警报。


六、一句话总结

  • 电容:电压落后,通高频阻低频

  • 电感:电流落后,通低频阻高频

  • 谐振:当两者“步调一致”时,电路发生强烈反应

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