Q,Quality Factor Tutorial Includes:
Q,quality factor basics Inductor Q RLC network Q
インダクタまたは同調回路のquality factorまたは’Q’は、共振回路における性能を示すためによく使用されます。 Qまたは品質係数は無次元数であり、回路内の減衰を記述します。 それはまた中心周波数に対する共鳴器の帯域幅の徴候を提供する。
品質係数の値は引用符で囲まれていることが多く、インダクタ、コンデンサ、または調整回路の性能を定義する際に使用できます。
qまたは品質係数は、発振器または他の形態の共振回路における性能を示すために、多くのRF同調回路または要素で使用されます。
単純な式は、損失と帯域幅をQに関連付けます。
Q,quality factor basics
Q,Quality Factorの概念は、米国のWestern Electric Companyのエンジニアリング部門のK.S.Johnsonというエンジニアによって最初に想定されました。 彼はさまざまなコイルの性能と品質を評価していました。 彼の調査の過程で、彼はQの概念を開発しました。 興味深いことに、文字Qの彼の選択は、アルファベットの他のすべての文字が取られたためではなく、品質係数という用語のために行われましたが、後知恵で品質係数の文字Qの選択はより良いものではありませんでした。
品質係数は、物理学と工学の多くの分野で適用可能な概念です。 これは文字Qで表され、Q因子と呼ばれることがあります。
Q因子は、機械的振子、機械的構造内の要素、または共振回路などの電子回路内の任意のものであり得る共振素子内のエネルギー損失を示す無次元パラ
要素のQ係数は損失に関係しますが、これは中心周波数に対する共振器の帯域幅に直接リンクします。
Qは、システム内に蓄積されたエネルギー量に対するエネルギー損失を示します。 したがって、Qが高いほど、エネルギー損失の速度が低くなり、したがって振動がよりゆっくりと減少します。
電子回路の場合、回路内のエネルギー損失は抵抗によって引き起こされます。 これは回路内のどこでも発生する可能性がありますが、抵抗の主な原因はインダクタ内で発生します。
品質係数の定義
品質係数の定義は、この量が実際に何であるかをより正確に理解するために必要とされることがよくあります。
電子回路の場合、Qは、蓄積されたエネルギーが時間とともに一定である周波数で、信号振幅を一定に保つために、サイクルごとに共振器に蓄積されたエ
インダクタについては、特定の周波数における誘導性リアクタンスと抵抗の比として定義することもでき、その効率の尺度です。
Q因子の影響
RF同調回路を扱うとき、Q因子が重要な理由はたくさんあります。 通常、高レベルのQが有益ですが、一部の用途では、定義されたレベルのQが必要とされる場合があります。
RF同調回路におけるQに関連する考慮事項のいくつかを以下に要約します:
- 帯域幅：Q係数または品質係数が増加すると、調整された回路フィルタの帯域幅が減少します。 損失が減少するにつれて、エネルギーが回路内でよりよく蓄積されるにつれて、同調回路はより鋭くなります。
Qが大きくなると、3dBの帯域幅が減少し、同調回路の全体的な応答が増加することがわかります。 多くの場合、高いＱ因子は、必要な選択度が達成されることを確実にするために必要とされる。 - 広い帯域幅:多くのRFアプリケーションでは、広い帯域幅動作が要求されます。 変調の形式によっては広い帯域幅を必要とするものもあれば、広い帯域範囲を提供するために固定フィルタを必要とするものもあります。 不要な信号の高い除去が必要になる場合がありますが、広い帯域幅に対する競合する要件があります。 したがって、多くのアプリケーションでは、広い帯域幅と不要な信号の適切な除去の要件を満たすために必要な全体的な性能を提供するために、必要なQのレベルを決定する必要があります。
- 発振器の位相ノイズ：任意の発振器は、位相ノイズとして知られているものを生成します。 これは、信号の位相のランダムなシフトを含みます。 これは、主搬送波から広がるノイズとして現れます。 予想されるように、このノイズは望まれないため、最小化する必要があります。 発振器の設計は、いくつかの方法でこれを減らすように調整することができ、主なものは、発振器同調回路の品質係数であるQを増加させることによ
- 一般的なスプリアス信号：スプリアス信号を除去するためにチューニングされた回路とフィルタがよく使用されます。 フィルタがシャープになり、Qのレベルが高くなるほど、回路はスプリアス信号を除去することができます。
- リンギング：共振回路のQが増加するにつれて損失が減少します。 これは、回路内で設定された発振が消滅するまでに時間がかかることを意味します。 言い換えれば、回路はより多くの”リング”する傾向があります。 これは、調整された回路で失われるエネルギーが少ないため、発振の設定と維持が容易であるため、発振回路内での使用には実際に理想的です。
Q因子式
基本的なQまたは品質因子式は、インダクタ、回路または他の形態の部品内のエネルギー損失に基づいています。
上記の品質係数の定義から、Q係数は以下のQ係数の式で数学的に表すことができます:
RF共振回路の帯域幅を見ると、これはQ係数の式に変換されます:
RFまたは他の回路内では、個々の部品は回路ネットワーク全体のQまたは品質係数に寄与することができます。 インダクタやコンデンサなどの部品のQは、特定のQ係数または品質係数を持つものとして引用されることがよくあります。
品質係数と減衰
多くの回路で重要なQ係数の一つの側面は減衰です。 品質係数Qは、単純な減衰発振器の定性的な挙動を決定し、フィルタ内の応答などの他の回路に影響を与えます。
減衰係数とQ係数を参照するときに考慮できる三つの主要なレジームがあります。
- アンダーダンプ(Q>1/2) : 減衰不足システムとは、Q係数が半分より大きいシステムのことです。 Q係数が半分以上しかないシステムでは、振動が減衰する前にステップインパルスが印加されると、一度か二度振動することがあります。 質の要因が増加すると同時に、従って弱まることは落ち、振動はより長くのために支えられます。 Ｑ因子が無限大である理論的システムでは、振動は、それ以上の刺激を加える必要なしに無期限に維持されるであろう。 発振器では、追加の刺激を提供するためにいくつかの信号がフィードバックされますが、高いQ係数は通常、はるかにクリーンな結果を生成します。 信号には、より低いレベルの位相ノイズが存在します。
- 過減衰(Q<1/2):過減衰システムのq係数は1/2未満です。 このタイプのシステムでは、損失は高く、システムにオーバーシュートがありません。 代わりに、システムは指数関数的に減衰し、ステップインパルスが適用された後に漸近的に定常状態の値に近づきます。 Q因子または品質因子が減少するにつれて、システムはステップインパルスによりゆっくりと応答する。
- 臨界減衰(Q=1/2):臨界減衰システムのQ係数は0.5であり、過減衰システムのように、出力は発振せず、定常状態出力をオーバーシュートしません。 システムは、オーバーシュートなしで最速の時間で定常状態の漸近線に近づきます。
多くのRF共振システムでは、高レベルのQ係数が必要です。 フィルタでは十分な選択性が必要ですが、あまり必要ではなく、発振器ではQレベルが高いため、安定性が向上し、位相ノイズが低くなります。 多くのシステムでは、フィルタ帯域幅が狭すぎ、発振器が必要な範囲を追跡できない可能性があるため、Q係数を高くしすぎてはいけません。 しかし、Q因子レベルは、低いよりも高い傾向がある必要があります。
より基本的な電子工学の概念:
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