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對于交流信號來說,電容為什么相當于是短路?

h1654155971.8456 ? 來源:硬件工程師煉成之路 ? 作者:硬件工程師煉成之 ? 2022-04-19 15:08 ? 次閱讀

做硬件的應該都學過模電,我也不例外,大學還是作為第一本專業書來學習的,當然這是好多年前的事兒。

模電中分析三極管電路的時候,一般會分析2種情況,直流通路和交流通路。以下截圖就是模擬電路教材的交流通路的分析:

8a9894e6-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

其中有兩句話值得看一看:

1、容量大的電容視為短路

2、無內阻的直流電源視為短路

關于這一點,有疑問的人應該不在少數,電容視為短路還好理解一點,電源也視為短路,有點懵。。。有下面這樣解釋:

電源由于其電壓恒定不變,即電壓變化量等于零,故在交流作用下相當于短路電源Vcc的內阻很小,相對于交流信號來說,電源Vcc與地GND之間相當于短路

不知道大家覺得這個解釋如何,我是看不出來有啥因果關系的.

那如何能通俗理解呢?關于這一點,我其實想了不少,也查了不少的,最終自己有個想法吧,供參考。

什么是短路?

這還不簡單,兩點之間用一根導線連接起來,他們之間的阻抗為0,短路最直接的特征就是阻抗為0。

8ab9ac08-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

也可以說,如果兩個點之間阻抗是0,那么我們也就說它們是短路的。短路之后最直接的現象就是,短路的兩點信號波形一模一樣。感覺像是在說廢話。

對于交流信號來說,電容為什么相當于是短路?

交流信號就是指有變化的信號,也就是說有頻率,即使看起來雜亂無章的無周期的音頻信號,經過傅里葉變換展開,也就是各種頻率的正弦波,只是有很多頻率分量而已。

電容的阻抗是1/jwC-----(w為角頻率=2pi*f,C為電容量)

直流信號的頻率可以看成為0Hz,它在分母上,所以電容對直流的阻抗就是無窮大,也就是說電容對直流信號來說相當于開路(開路的特點就是之間阻抗無窮大)。

而對某一頻率的交流信號,電容容量越大,阻抗越小。當阻抗小到可以忽略不計的程度,可以看成是0Ω,那也就是相當于短路。

舉個例子:

8accff7e-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

信號的頻率是1Khz,電容100uF,那么容抗就是1/jwC=1.6Ω,相對于電路中其它的1K,2K的電阻,這個1.6Ω確實很小。因此,為了方便分析電路,我們即使把它當作0Ω來看待,也可以得到基本正確的結果(當然,這里對交流信號來說的,直流肯定不行),那么就是說,這個100uF此時是相當于是短路的。

當然了,如果電容容量減小1000倍,是100nF,那么阻抗就是1.6K,顯然不能忽略了,也就不能相當于短路了。這也是為什么教材里面說容量大的電容才能相當于是短路的。

我們可以分別對100uF和100nF的情況做一個簡單的仿真,看是不是這樣。

8ae29ea6-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

可以看到,在100uF的時候,B點的波形和A點一模一樣(不管直流分量)。而在100nF的時候,B點的波形與A點差很多,幅度和相位都不一樣。

所以說,只有電容足夠大,電容才能看成短路,那具體是多大叫足夠大呢?

這個就要看具體電路。我們不能說100uF一定可以看成短路,也不能說100nF一定不可以看成短路。

如果我們考慮的交流信號是1Mhz的,那么100nF電容的阻抗就是1.6Ω,100nF在此時可以看成是短路的。

如果頻率是1Khz不變,而上面電路中的電阻都是1MΩ的,那么盡管此時100nF電容的阻抗還是1.6K,但是比起1MΩ電阻來說,還是夠小的,我們把它看成短路,也是可以的。

總的來說,電容多大叫夠大,要看信號的頻率,所處位置其它器件的總的等效阻抗是多大。電容的阻抗如果遠小于所處位置的其它器件總的等效阻抗,那么就可以看成是短路的,反之就不可以。

對于交流信號來說,電源為什么相當于是短路?

上面這個電路,如果我們將電容換成直流電源,那么會發生什么呢?A點輸入交流信號,B點一定會獲得一個一模一樣的交流信號。

8b0ef9ec-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

這個很容易理解,假如A點的電壓增大△U,因為A和B直接是恒壓源電源,兩端電壓恒定,就是VCC,那么B點的電壓一定也增大△U。這么看,不就是相當于A和B直接接到了一起嗎?阻抗為0。

因為它們倆的波形總是一模一樣的,沒有任何差別。如果阻抗不是0,那么放入到電路中,它們之間的阻抗一定會同電路中其它的器件構成分壓,導致波形不一樣。

我們也可以看下仿真波形

8b2227a6-bf90-11ec-9e50-dac502259ad0.png

圖中加了一個3V的電源,替代之前的電容,可以看到,兩點之間的波形也是一模一樣的,只是直流電壓有個3V的壓差。

所以,對于交流信號來說,電源就相當于是短路的,即電源正負極相當于是用一根導線接到一起了,之間交流阻抗為0。

當然嚴格來說,實際中電源都有內阻r,只是比較小,能忽略掉的話才是相當于是短路的。另外,標題說“電源相當于接地”,其實不是很準確,只是一般一個電路,電源負極就是地,所以,對于交流信號來說,也就是電源正極VCC相當于接地了。

除此之外,我們應該可以想到,在分析交流信號時,電源相對于電容,是更可以看成短路的。畢竟,電容對信號頻率,所處位置的阻抗有要求,而電源基本沒啥要求,只要是交流信號,內阻足夠小的電源都可以看成是短路的。

審核編輯 :李倩

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原文標題:交流等效電路,電源相當于是接地?

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