品质因数或 Q 因数是衡量线圈、电容电感器损耗和谐振器带宽性能的指标。简单的公式可以关联变量。
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电感器或调谐电路的品质因数或“Q”通常用于指示其在谐振器电路中的性能，并且广泛应用于射频设计和电子电路设计的许多其他领域。
Q 或品质因数是无量纲数，它描述了电路中的阻尼。它还提供了谐振器相对于其中心频率的带宽的指示。


调谐电路的 Q 品质因数概念
品质因数的值经常被引用，可用于定义电感器、电容器或调谐电路的性能。
Q 或品质因数与许多 RF 调谐电路或元件一起使用，以指示它们在振荡器或其他形式的谐振电路中的性能。
有几个简单的公式将损耗和带宽与 Q 值联系起来，这些公式可以轻松地用于确定相关电路的各个方面。

品质因数是如何产生的

Q（品质因数）的概念最初是由美国西部电气公司工程部的 KS Johnson 工程师提出的。
约翰逊正在评估不同线圈的性能和质量。在他的研究过程中，他提出了 Q 的概念。
有趣的是，他选择字母 Q 是因为字母表中的所有其他字母都被采用，而不是因为术语质量因数，尽管事后看来，选择字母 Q 表示质量因数再好不过了。

Q 因子基础知识
品质因数是一个适用于物理和工程许多领域的概念。它用字母 Q 表示，也可以称为 Q 因子。
Q 因数是一个无量纲参数，表示谐振元件内的能量损耗，谐振元件可以是机械摆、机械结构中的元件或电子电路（例如谐振电路）内的任何元件。
虽然元件的 Q 因数与损耗有关，但它直接与谐振器相对于其中心频率的带宽相关。
Q 表示相对于系统内存储的能量的能量损失。因此，Q 越高，能量损失率越低，因此振荡将减少得更慢，即它们将具有低水平的阻尼并且它们将响得更长时间。
对于电子电路，电路内的能量损失是由电阻引起的。尽管这可能发生在电路内的任何地方，但电阻的主要原因发生在电感器内。

品质因数定义
通常需要质量因数的定义才能更准确地理解该数量的实际含义。使用简洁的词语来解释它的含义通常会很有帮助。

品质因数，Q 定义：
对于电子电路，Q 被定义为谐振器中存储的能量与每个周期由谐振器提供的能量之比，以保持信号幅度恒定，在存储的能量随时间恒定的频率下。
由此可见，存储和损失的能量基本上落后于Q或电路。
Q 也可以定义为电感器，其中它是特定频率下其感抗与其电阻的比率，并且它是其效率的度量。
类似地，Q 也经常与电容器一起使用，并且对于变容二极管也很重要，因为二极管中的损耗会对使用二极管的任何压控谐振电路的性能产生重大影响。

Q 因子的影响
在处理射频调谐电路时，Q 因数很重要的原因有很多。通常高水平的 Q 是有益的，但在某些应用中可能需要定义的 Q 水平。
与射频调谐电路中的 Q 值相关的一些考虑因素总结如下：
  • 带宽： 随着Q因数或品质因数的增加，调谐电路滤波器的带宽会减少。随着损耗的减少，调谐电路变得更加尖锐，因为能量在电路中存储得更好。
  • 可以看出，随着 Q 的增加，3 dB 带宽减少，调谐电路的整体响应增加。在许多情况下，需要高品质因数来确保实现所需的选择性程度。
  • 宽带宽： 许多射频应用都需要宽带宽操作。某些形式的调制需要宽带宽，而其他应用则需要固定滤波器来提供宽带覆盖。
  • 虽然可能需要对不需要的信号进行高抑制，但存在对宽带宽的竞争要求。因此，在许多应用中，需要确定所需的 Q 水平，以提供满足宽带宽和充分抑制不需要信号的要求所需的整体性能。
  • 振荡器相位噪声： 任何振荡器都会产生所谓的相位噪声。这包括信号相位的随机偏移。这表现为从主载波传播出去的噪声。
  • 正如所预料的，这种噪音是不需要的，因此需要最小化。可以通过多种方式定制振荡器设计来减少这种情况，主要的方法是提高振荡器调谐电路的 Q（品质因数）。
  • 一般杂散信号： 调谐电路和滤波器通常用于消除杂散信号。滤波器越锐利，Q 值越高，电路去除杂散信号的能力就越好。
  • 振铃： 随着谐振电路 Q 值的增加，损耗会减少。这意味着电路内建立的任何振荡都需要更长的时间才能消失。换句话说，电路将倾向于“响铃”更多。
  • 这实际上非常适合在振荡器电路中使用，因为由于调谐电路中损失的能量较少，因此更容易建立和维持振荡。

Q 因子公式
基本 Q 或品质因数公式基于电感器、电路或其他形式的组件内的能量损耗。
根据上面给出的品质因数的定义，Q 因数可以用下面的 Q 因数公式来数学表达：
Q =乙已存储乙每个周期丢失Q=EStoredELost per cycle
其中：
Q = 电路的品质因数
E storage = 存储的能量
E每个周期损失= 每个周期损失的能量
当查看 RF 谐振电路的带宽时，这可转化为 Q 因子公式：
Q =F0F−3dBQ=F0F-3dB
其中：
Q = 电路的品质因数
F 0 = 调谐电路的中心频率
F -3dB是响应下降 3 dB 时相对于中心频率的频率偏移。


显示中心和 -3dB 点的 Q 品质因数
在任何射频或其他电路中，每个单独的组件都可以对整个电路网络的 Q 或品质因数做出贡献。电感器和电容器等组件的 Q 值通常被称为具有一定的 Q 因数或品质因数。

品质因数和阻尼
在许多电路中，Q 因数的一个重要方面是阻尼。品质因数 Q 决定简单阻尼振荡器的定性行为并影响其他电路，例如滤波器内的响应等。
在提及阻尼和 Q 因子时，可以考虑三种主要机制。
  • 欠阻尼 (Q > 1/2)： 欠阻尼系统是指 Q 因子大于一半的系统。当在振荡消失之前施加阶跃脉冲时，那些 Q 因子仅超过一半的系统可能会振荡一次或两次。随着品质因数的增加，阻尼下降，振荡将持续更长时间。
  • 在 Q 因子无限大的理论系统中，振荡将无限期地维持，而不需要添加任何进一步的刺激。在振荡器中，一些信号会被反馈以提供额外的刺激，但高 Q 因子通常会产生更清晰的结果。信号上存在较低水平的相位噪声。
  • 过阻尼 (Q < 1/2)： 过阻尼系统的 Q 因子小于 1/2。在这种类型的系统中，损耗很高并且系统没有超调。相反，系统将指数衰减，在施加阶跃脉冲后渐近地接近稳态值。
  • 随着 Q 因数或品质因数降低，系统对阶跃脉冲的响应速度会变慢。
  • 临界阻尼 (Q = 1/2)： 临界阻尼系统的 Q 因子为 0.5，与过阻尼系统一样，输出不会振荡，也不会超出其稳态输出。系统将以最快的时间逼近稳态渐近线，不会出现任何超调。
在许多射频谐振系统中，需要高水平的 Q 因子。对于滤波器来说，需要足够的选择性，但不要太多；对于振荡器来说，高水平的 Q 值可以提高稳定性并降低相位噪声。在许多系统中，Q 因数不应太高，因为这可能会导致滤波器带宽太窄，并且振荡器无法跟踪所需的范围。然而，Q 因子水平需要较高而不是较低。

Q 或品质因数是谐振和滤波器电路的一个关键方面，尤其是在射频设计中。Q 在其他领域也很重要，包括一般电子电路设计以及音频设计的某些方面，包括扬声器等。
对 Q 有基本的了解将有助于更好地理解各个领域的电路设计和操作的一些元素。