電路設(shè)計(jì)大全:上/下拉電阻、串聯(lián)匹配/0Ω電阻、磁珠、電感應(yīng)用

2017-05-02  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一、定義:

1、上拉就是將不確定的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻嵌位在高電平!電阻同時(shí)起限流作用!下拉同理

2、上拉是對(duì)器件注入電流,下拉是輸出電流

3、弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同,沒(méi)有什么嚴(yán)格區(qū)分

4、對(duì)于非集電極(或漏極)開(kāi)路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開(kāi)路輸出型電路輸出電流通道

二、拉電阻作用:

1、一般作單鍵觸發(fā)使用時(shí),如果IC本身沒(méi)有內(nèi)接電阻,為了使單鍵維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài),必須在IC外部另接一電阻。

2、數(shù)字電路有三種狀態(tài):高電平、低電平、和高阻狀態(tài),有些應(yīng)用場(chǎng)合不希望出現(xiàn)高阻狀態(tài),可以通過(guò)上拉電阻或下拉電阻的方式使處于穩(wěn)定狀態(tài),具體視設(shè)計(jì)要求而定!

3、一般說(shuō)的是I/O端口,有的可以設(shè)置,有的不可以設(shè)置,有的是內(nèi)置,有的是需要外接,I/O端口的輸出類似與一個(gè)三極管的C,當(dāng)C接通過(guò)一個(gè)電阻和電源連接在一起的時(shí)候,該電阻成為上C拉電阻,也就是說(shuō),如果該端口正常時(shí)為高電平,C通過(guò)一個(gè)電阻和地連接在一起的時(shí)候,該電阻稱為下拉電阻,使該端口平時(shí)為低電平,其作用主要是確保某端口常態(tài)時(shí)有確定電平:用法示例:當(dāng)一個(gè)接有上拉電阻的端口設(shè)為輸入狀態(tài)時(shí),他的常態(tài)就為高電平,用于檢測(cè)低電平的輸入。

4、上拉電阻是用來(lái)解決總線驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)提供電流的。一般說(shuō)法是拉電流,下拉電阻是用來(lái)吸收電流的,也就是我們通常所說(shuō)的灌電流。

5、接電阻就是為了防止輸入端懸空。

6、減弱外部電流對(duì)芯片產(chǎn)生的干擾。

7、保護(hù)cmos內(nèi)的保護(hù)二極管,一般電流不大于10mA。

8、通過(guò)上拉或下拉來(lái)增加或減小驅(qū)動(dòng)電流。

9、改變電平的電位,常用在TTL-CMOS匹配。

10、在引腳懸空時(shí)有確定的狀態(tài)。

11、增加高電平輸出時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力。

12、為OC門提供電流。

三、上拉電阻應(yīng)用原則:

1、當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí),若TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V),這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻,以提高輸出高電平值。注:此時(shí)上拉電阻連接的電壓值應(yīng)不低于CMOS電路的最低高電壓,同時(shí)又要考慮TTL電路方電流(如某端口最大輸入或輸出電流)的影響。

2、OC門電路必須加上拉電阻,才能使用。

3、為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力,有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻。

4、在COMS芯片上,為了防止靜電造成損壞,不用的管腳不能懸空,一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗, 提供泄荷通路。

5、芯片的管腳加上拉電阻來(lái)提高輸出電平,從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限增強(qiáng)抗干擾能力。

6、提高總線的抗電磁干擾能力,管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

7、長(zhǎng)線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上下拉電阻是電阻匹配,有效的抑制反射波干擾。

8、在數(shù)字電路中不用的輸入腳都要接固定電平,通過(guò)1k電阻接高電平或接地。

四、上拉電阻阻值選擇原則:

1、從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大;電阻大,電流小。

2、從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小;電阻小,電流大。

3、對(duì)于高速電路,過(guò)大的上拉電阻可能邊沿變平緩。

綜合考慮以上三點(diǎn),通常在1k到10k之間選取。對(duì)下拉電阻也有類似道理。

對(duì)上拉電阻和下拉電阻的選擇應(yīng)結(jié)合開(kāi)關(guān)管特性和下級(jí)電路的輸入特性進(jìn)行設(shè)定,主要需要考慮以下幾個(gè)因素:

1、驅(qū)動(dòng)能力與功耗的平衡。以上拉電阻為例,一般地說(shuō),上拉電阻越小,驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng),但功耗越大,設(shè)計(jì)是應(yīng)注意兩者之間的均衡。

2、下級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)需求。同樣以上拉電阻為例,當(dāng)輸出高電平時(shí),開(kāi)關(guān)管斷開(kāi),上拉電阻應(yīng)適當(dāng)選擇以能夠向下級(jí)電路提供足夠的電流。

3、高低電平的設(shè)定。不同電路的高低電平的門檻電平會(huì)有不同,電阻應(yīng)適當(dāng)設(shè)定以確保能輸出正確的電平。以上拉電阻為例,當(dāng)輸出低電平時(shí),開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,上拉電阻和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻分壓值應(yīng)確保在零電平門檻之下。

4、頻率特性。以上拉電阻為例,上拉電阻和開(kāi)關(guān)管漏源級(jí)之間的電容和下級(jí)電路之間的輸入電容會(huì)形成RC延遲,電阻越大,延遲越大。上拉電阻的設(shè)定應(yīng)考慮電路在這方面的需求。

在集成電路中, 吸電流、拉電流輸出和灌電流輸出是一個(gè)很重要的概念。

拉電流:拉即泄,主動(dòng)輸出電流,是從輸出口輸出電流。

灌電流:灌即充,被動(dòng)輸入電流,是從輸出端口流入

吸電流:吸則是主動(dòng)吸入電流,是從輸入端口流入

吸電流和灌電流就是從芯片外電路通過(guò)引腳流入芯片內(nèi)的電流,區(qū)別在于吸收電流是主動(dòng),從芯片輸入端流入的叫吸收電流。灌入電流是被動(dòng)的,從輸出端流入叫灌入電流。

拉電流是數(shù)字電路輸出高電平給負(fù)載提供的輸出電流,灌電流時(shí)輸出低電平是外部給數(shù)字電路的輸入電流,它們實(shí)際就是輸入、輸出電流能力。

吸收電流是對(duì)輸入端(輸入端吸入)而言的;而拉電流(輸出端流出)和灌電流(輸出端被灌入)是相對(duì)輸出端而言的。

在電路設(shè)計(jì)中,經(jīng)常需要使用匹配電阻,如閉路電視同軸電纜、時(shí)鐘數(shù)據(jù)線等,如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢?如果不匹配,則會(huì)形成反射,能量傳遞 不過(guò)去,降低效率;會(huì)在傳輸線上形成駐波(簡(jiǎn)單的理解,就是有些地方信號(hào)強(qiáng),有些地方信號(hào)弱),導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低;功率發(fā)射不出去,甚至?xí)p 壞發(fā)射設(shè)備。

關(guān)于串聯(lián)匹配電阻其作用:

1、概述:

高速信號(hào)線中才考慮使用這樣的電阻,低頻情況下,一般是直接連接。這個(gè)電阻有兩個(gè)作用:

①阻抗匹配:因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗很低,跟信號(hào)線之間阻抗不匹配,串上一個(gè)電阻后,可改善匹配情況,以減少反射,避免振蕩等。

②減少信號(hào)邊沿的陡峭程度:可以減少信號(hào)邊沿的陡峭程度,從而減少高頻噪聲以及過(guò)沖等。因?yàn)榇?lián)的電阻,跟信號(hào)線的分布電容以及負(fù)載的輸入電容等形成一個(gè) RC 電路,這樣就會(huì)降低信號(hào)邊沿的陡峭程度大家知道,如果一個(gè)信號(hào)的邊沿非常陡峭,含有大量的高頻成分,將會(huì)輻射干擾,另外,也容易產(chǎn)生過(guò)沖。

2、 詳述(阻抗匹配)

阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。

阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。

我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手,由于實(shí)際的電壓源,總是有內(nèi)阻的,我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源,等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為R,電源電動(dòng)勢(shì)為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計(jì)算出流過(guò)電阻R的電流為: I=U/(R+r)

可以看出,負(fù)載電阻R越小,則輸出電流越大。

負(fù)載R上的電壓為:Uo=IR=U/[1+(r/R)]

負(fù)載電阻R越大,則輸出電壓Uo越高。

再來(lái)計(jì)算一下電阻R消耗的功率為:

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2R×r+r2)=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源,其內(nèi)阻r是固定的,而負(fù)載電阻R則是由我們來(lái)選擇的注意式中[(R-r)2/R],當(dāng)R=r時(shí),[(R-r)2/R]可取得最小值0,這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4×r)即,當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí),負(fù)載可獲得最大輸出功率,這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。對(duì)于純電阻電路,此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí),結(jié)論有所改變,就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相 等,虛部互為相反數(shù),這叫做共扼匹配。

匹配電阻下低頻電路與高頻電路的比較:

①、在低頻電路中,我們一般不考慮傳輸線的匹配問(wèn)題,只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況,因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線來(lái)說(shuō)很長(zhǎng),傳輸線可以看成是“短線”,反射可以不考慮(可以這么理解:因?yàn)榫€短,即使反射回來(lái),跟原信號(hào)還是一樣的)。

從以上分析我們可以得出結(jié)論:如果我們需要輸出電流大,則選擇小的負(fù)載R;如果我們需要輸出電壓大,則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大,則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。

注:有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思,例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的,如果負(fù)載條件改變了,則可能達(dá)不到原來(lái)的性能,這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。

②、在高頻電路中,我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí),則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短,當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí),反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不相等(即不匹配)時(shí),在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。

為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法,牽涉到二階偏微分方程的求解,在這里我們不細(xì)說(shuō)了,有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書籍中的傳輸線理 論傳輸線的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的,而與傳輸線的長(zhǎng)度,以及信號(hào)的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。

例如,常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Ω,而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Ω的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線是特性阻抗為300Ω的扁平平行線, 這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見(jiàn),用來(lái)做八木天線的饋線因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Ω,所以300Ω的饋線將與其不能匹配實(shí)際中是如何解決 這個(gè)問(wèn)題的呢?不知道大家有沒(méi)有留意到,電視機(jī)的附件中,有一個(gè)300Ω到75Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器(一個(gè)塑料封裝的,一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東,大概有 兩個(gè)大拇指那么大)它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線變壓器,將300Ω的阻抗,變換成75Ω的,這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是,特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念,它與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān),也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測(cè)量為了不產(chǎn)生反射,負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等,這就是傳輸線的阻抗 匹配。如果是電路板上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生震蕩,輻射干擾等。

當(dāng)阻抗不匹配時(shí),有哪些辦法讓它匹配呢?

①、可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉(zhuǎn)換,就像上面所說(shuō)的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。

②、可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。

③、可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法,一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低,可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線匹配,例如高速信號(hào)線,有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一 些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯(lián)電阻的方法,來(lái)跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。

為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題,我來(lái)舉兩個(gè)例子:假設(shè)你在練習(xí)拳擊——打沙包如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包,你打上去會(huì)感覺(jué)很舒服但是,如果哪一天我把沙包做了手腳,例如,里面換成了鐵沙,你還是用以前的力打上去,你的手可能就會(huì)受不了了——這就是負(fù)載過(guò)重的情況,會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力相 反,如果我把里面換成了很輕很輕的東西,你一出拳,則可能會(huì)撲空,手也可能會(huì)受不了——這就是負(fù)載過(guò)輕的情況。

另一個(gè)例子,不知道大家有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷:就是看不清樓梯時(shí)上/下樓梯,當(dāng)你以為還有樓梯時(shí),就會(huì)出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺(jué)了當(dāng)然,也許這樣的例子不太恰當(dāng),但我們可以拿它來(lái)理解負(fù)載不匹配時(shí)的反射情況

附:淺談四層板和33歐電阻

選用四層板不僅是電源和地的問(wèn)題,高速數(shù)字電路對(duì)走線的阻抗有要求,二層板不好控制阻抗。33歐電阻一般加在驅(qū)動(dòng)器端,也是起阻抗匹配作用的;布線時(shí)要先布數(shù)據(jù)地址線,和需要保證的高速線。

在高頻的時(shí)候,PCB板上的走線都要看成傳輸線。傳輸線有其特征阻抗,學(xué)過(guò)傳輸線理論的都知道,當(dāng)傳輸線上某處出現(xiàn)阻抗突變(不匹配)時(shí),信號(hào)通過(guò)就會(huì)發(fā)生 反射,反射對(duì)原信號(hào)造成干擾,嚴(yán)重時(shí)就會(huì)影響電路的正常工作采用四層板時(shí),通常外層走信號(hào)線,中間兩層分別為電源和地平面,這樣一方面隔離了兩個(gè)信號(hào)層, 更重要的是外層的走線與它們所靠近的平面形成稱為“微帶”(microstrip) 的傳輸線,它的阻抗比較固定,而且可以計(jì)算。對(duì)于兩層板就比較難以做到這樣。這種傳輸線阻抗主要與走線的寬度、到參考平面的距離、敷銅的厚度以及介電材料 的特性有關(guān),有許多現(xiàn)成的公式和程序可供計(jì)算。

33歐電阻通常串連放在驅(qū)動(dòng)的一端(其實(shí)不一定33歐,從幾歐到五、六十歐都有,視電路具體情況) ,其作用是與發(fā)送器的輸出阻抗串連后與走線的阻抗匹配,使反射回來(lái)(假設(shè)解收端阻抗沒(méi)有匹配)的信號(hào)不會(huì)再次反射回去(吸收掉),這樣接收端的信號(hào)就不會(huì)受到影響。接收端也可以作匹配,例如采用電阻并聯(lián),但在數(shù)字系統(tǒng)比較少用,因?yàn)楸容^麻煩,而且 很多時(shí)候是一發(fā)多收,如地址總線,不如源端匹配易做。

注:這里所說(shuō)的高頻,不一定是時(shí)鐘頻率很高的電路,是不是高頻不止看頻率,更重要是看信號(hào)的上升下降時(shí)間。通?？梢杂蒙仙?或下降)時(shí)間估計(jì)電路的頻率,一般取上升時(shí)間倒數(shù)的一半,比如如果上升時(shí)間是1ns,那么它的倒數(shù)是1000MHz,也就是說(shuō)在設(shè)計(jì)電路是要按500MHz的頻帶來(lái)考慮。有時(shí)候要故意減慢邊緣時(shí)間,許多高速IC其驅(qū)動(dòng)器的輸出斜率是可調(diào)的。

一、0歐姆電阻

電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)到0歐的電阻,大家往往會(huì)很迷惑:既然是0歐的電阻,那就是導(dǎo)線,為何要裝上它呢?還有這樣的電阻市場(chǎng)上有賣嗎?其實(shí)0歐的電阻還是蠻有用的。大概有以下幾個(gè)功能,其最重要且經(jīng)常用的功能是:

重點(diǎn)介紹:模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地

只要是地,最終都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是“浮地”,存在壓差,容易積累電荷,造成靜電。地是參考0電位,所有電壓都是參考地得出的,地的標(biāo)準(zhǔn)要一致,故各種地應(yīng)短接在一起。人們認(rèn)為大地能夠吸收所有電荷,始終維持穩(wěn)定,是最終的地參考點(diǎn)。雖然有些板子沒(méi)有接大地,但發(fā)電廠是接大地的,板子上的電源最終還是會(huì)返回發(fā)電廠入地。如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連,會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥,理由如上有四種方法解決此問(wèn)題:

①、用磁珠連接; 

②、用電容連接;

③、用電感連接;

④、用0歐姆電阻連接。 

區(qū)別:

①、磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器,只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用,使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率,以便選用適當(dāng)型號(hào)。對(duì)于頻率不確定或無(wú)法預(yù)知的情況,磁珠不合。

②、電容隔直通交,造成浮地。

③、電感體積大,雜散參數(shù)多,不穩(wěn)定。

④、0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路,能夠有效地限制環(huán)路電流,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗),這點(diǎn)比磁珠強(qiáng)。

0 歐姆電阻的其它作用

①、在電路中沒(méi)有任何功能,只是在PCB上為了調(diào)試方便或兼容設(shè)計(jì)等原因。

②、可以做跳線用,如果某段線路不用,直接不貼該電阻即可(不影響外觀)。

③、在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候,以0歐姆代替,實(shí)際調(diào)試的時(shí)候,確定參數(shù),再以具體數(shù)值的元件代替。

④、測(cè)某部分電路的耗電流的時(shí)候,可以去掉0ohm電阻,接上電流表,這樣方便測(cè)耗電流。、  

⑤、布線時(shí),如果實(shí)在布不過(guò)去了,也可以加一個(gè)0歐的電阻、  

⑥、在高頻信號(hào)下,充當(dāng)電感或電容。(與外部電路特性有關(guān))電感用,主要是解決EMC問(wèn)題。如地與地,電源和IC、Pin間、  

⑦、單點(diǎn)接地(指保護(hù)接地、工作接地、直流接地在設(shè)備上相互分開(kāi),各自成為獨(dú)立系統(tǒng)。)、  

⑧、熔絲作用、  

⑨、跨接時(shí)用于電流回路

當(dāng)分割電地平面后,造成信號(hào)最短回流路徑斷裂,此時(shí),信號(hào)回路不得不繞道,形成很大的環(huán)路面積,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響就變強(qiáng)了,容易干擾/被干擾。在分割區(qū)上跨接0歐電阻,可以提供較短的回流路徑,減小干擾。 

⑩、配置電路

一般,產(chǎn)品上不要出現(xiàn)跳線和撥碼開(kāi)關(guān)。有時(shí)用戶會(huì)亂動(dòng)設(shè)置,易引起誤會(huì),為了減少維護(hù)費(fèi)用,應(yīng)用0歐電阻代替跳線等焊在板子上?？罩锰€在高頻時(shí)相當(dāng)于天線,用貼片電阻效果好。

⑾、其他用途 

布線時(shí)跨線、調(diào)試/測(cè)試用、臨時(shí)取代其他貼片器件、作為溫度補(bǔ)償器件,更多時(shí)候是出于EMC對(duì)策的需要。另外,0歐姆電阻比過(guò)孔的寄生電感小,而且過(guò)孔還會(huì)影響地平面(因?yàn)橐诳?,還有就是不同尺寸0歐電阻允許通過(guò)電流不同,一般0603的1A,0805、的2A,所以不同電流會(huì)選用不同尺寸的。還有就是為磁珠、電感等預(yù)留位置時(shí),得根據(jù)磁珠、電感的大小還做封裝,所以0603、0805等不同尺寸的都有了。

附:1歐姆電阻的作用

1歐姆電阻在電路中經(jīng)常是用來(lái)測(cè)試的,比如,需要測(cè)一個(gè)電路中的電流時(shí),我們可以在該電路中串一個(gè)1歐姆電阻,測(cè)量其兩端的電壓即是該電路的電流(I=U/R,因?yàn)镽=1,所以測(cè)出的電壓值即是電流值)。

二、磁珠:

磁珠專用于抑制信信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力。磁珠是用來(lái)吸收超高頻信號(hào),象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種蓄能元件,用在LC振蕩電路,中低頻的濾波電路等,其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHZ。、磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。

磁珠的功能:主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)(電路)中的RF噪聲,RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信號(hào),而射頻RF能量卻是無(wú)用的電磁干擾沿著線路傳輸和輻射(EMI)。要消除這些不需要的信號(hào)能量,使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器),該器件允許直流信號(hào)通過(guò),而濾除交流信號(hào)。通常高頻信號(hào)為30MHz以上,然而,低頻信號(hào)也會(huì)受到片式磁珠的影響。

磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,它等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化。、它比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。、

作為電源濾波,可以使用電感。磁珠的電路符號(hào)就是電感但是型號(hào)上可以看出使用的是磁珠在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了。

注:磁珠的單位是歐姆,而不是亨利,這一點(diǎn)要特別注意。

三、電感

電感是閉合回路的一種屬性。當(dāng)線圈通過(guò)電流后,在線圈中形成磁場(chǎng)感應(yīng),感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗,也就是電感,單位是“亨利(H)”。

注:關(guān)于電感只在此簡(jiǎn)要介紹,此內(nèi)容會(huì)在后文中體現(xiàn)。

磁珠和電感的區(qū)別

電感是儲(chǔ)能元件,而磁珠是能量轉(zhuǎn)換(消耗)器件。電感多用于電源濾波回路,側(cè)重于抑止傳導(dǎo)性干擾;磁珠多用于信號(hào)回路,主要用于EMI方面。磁珠用來(lái)吸收超高頻信號(hào),象一些RF電路,PLL,振蕩電路,含超高頻存儲(chǔ)器電路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在電源輸入部分加磁珠,而電感是一種儲(chǔ)能元件,用在LC振蕩電路、中低頻的濾波電路等,其應(yīng)用頻率范圍很少超過(guò)50MHz。在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了。

注:主要用于電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、濾波、補(bǔ)償、充放電、儲(chǔ)能、隔直流等電路中。以下介紹基于電容常用功能,詳細(xì)介紹各功能應(yīng)用。

電容特性:通交流阻直流,通高頻阻低頻!

電容在大家平時(shí)的電路設(shè)計(jì)中是不可缺少的,但是很多的人都會(huì)進(jìn)入一個(gè)電容使用的誤區(qū),就是電容的容值越大越好,濾波效果越好。其實(shí)并不是這樣的,簡(jiǎn)單的說(shuō),就是大容值電容濾低頻噪聲,小容值電容濾高頻噪聲。

電 容的工作的實(shí)質(zhì)是充電和放電的過(guò)程。以電容不存儲(chǔ)任何電量為初始狀態(tài),大容值的電容在電路中達(dá)到與電路中的電壓平衡需要充入的電荷量就要多,就需要更長(zhǎng)的 時(shí)間,低頻噪聲能夠滿足其時(shí)間上的要求,但如果放在高頻率噪聲的電路中,頻率高,大容值電容的充放電反應(yīng)不過(guò)來(lái),達(dá)不到濾波的目的,這時(shí)候就要采用小容值 的電容。小容值的電容,充放電時(shí)間短,能夠滿足濾波的目的?？傊?濾波的頻率隨電容值的增大而減少。所以在使用時(shí)要根據(jù)自己的電路的需要選取合適的容值, 達(dá)到想要的濾波目的,又減少了成本。

在電路中最常見(jiàn)到的電容使用方法是“去耦電容”和“旁路電容”。作為無(wú)源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:

1、應(yīng)用于電源電路,實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能方面電容的作用,下面分類詳述之:

① 濾波

濾 波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會(huì)用到。從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說(shuō),電容越大,阻抗越小,通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超 過(guò)1uF 的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容,這時(shí)大電容通低頻,小電容 通高頻。電容越大低頻越容易通過(guò),電容越小高頻越容易通過(guò)。

以上圖為例:C5將濾除前一級(jí)U2輸出中的低頻成分、C7濾除其高頻成分,C3、C4類似。

曾 有網(wǎng)友將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變,由此可知,信號(hào)頻率越高則衰減越大,可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘,不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而 引起水量的變化。 電容把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。注:濾波就是充電,放電的過(guò)程。

② 旁路

旁路電容一般接在信號(hào)端與地之間,主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路,從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。

旁 路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容,其電容值取決于PCB 板上的瞬態(tài)電流需求,一般在10 至470μF 范圍內(nèi)。若PCB 板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)電路和具有長(zhǎng)引線的電源,則應(yīng)選擇大容量的電容。旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件,它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化,降低 負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路被充電,并向器件進(jìn)行放電。

注:為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致地電位抬高和噪聲。

③ 去藕

去耦電容實(shí)際上是根據(jù)電容的使用的實(shí)際效果來(lái)命名的,一般接在電源線和地線之間,起作用主要有兩方面:濾波作用和蓄能作用。

具體的作用結(jié)合以下幾點(diǎn)來(lái)解釋:

1、 當(dāng)電源引進(jìn)電路時(shí),電源的電壓不是恒定的,是處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),其中帶有很多的噪聲,如果讓這些噪聲進(jìn)入到電路中就會(huì)對(duì)電路造成影響,特別是對(duì)電壓 敏感的器件對(duì)電路電壓的穩(wěn)定性要求更高,以及有用到作為參考電壓的一端,影響其精確性,所以加電容能能保證電路的線性關(guān)系。(簡(jiǎn)單的理解就是電壓多了我就 吸收,少了我就補(bǔ)充,保持在一個(gè)平衡的狀態(tài))

2、有源器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生高頻的開(kāi)關(guān)噪聲,將會(huì)沿著電源線傳播,這時(shí)電容提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件,以減少開(kāi)關(guān)噪聲在電源線的傳播,并將噪聲接引到地。

3、 在空間中存在很多的電磁波,往往會(huì)干擾到芯片工作的穩(wěn)定性,芯片周圍的去耦電容能夠很好的濾除這些干擾,從另一方面說(shuō),高頻電路中,導(dǎo)線產(chǎn)生的電感效應(yīng)對(duì) 電流的阻礙作用是很大的,會(huì)導(dǎo)致電流不足,如果器件在這時(shí)候剛好就需要足夠的電流驅(qū)動(dòng),就不能及時(shí)供給,這時(shí),去耦電容中儲(chǔ)存的能量就能及時(shí)的補(bǔ)充這些不 足,保證器件正常的工作。

注:在電路電路中,去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用,電容所處的位置不同,就是稱呼的不一樣,旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象,而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象,防止干擾信號(hào)返回電源,這是他們的本質(zhì)區(qū)別。

④ 儲(chǔ)能

儲(chǔ) 能型電容器通過(guò)整流器收集電荷,并將存儲(chǔ)的能量通過(guò)變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000uF之間的鋁電解電容器(如EPCOS公司的 B43504或B43505)是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求,器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對(duì)于功率級(jí)超過(guò)10KW的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2、應(yīng)用于信號(hào)電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用:

① 耦合

舉 個(gè)例子來(lái)講,晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻,它同時(shí)又使信號(hào)產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合,這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件,如果在 這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容,由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào)較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng),故稱此電容為去耦電容。

② 振蕩/同步

包括RC、LC振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

③ 時(shí)間常數(shù)

這就是常見(jiàn)的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí),電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過(guò)電阻(R)、電容(C)的特性通過(guò)下面的公式描述:

一、電感的定義:

電感是導(dǎo)線內(nèi)通過(guò)交流電流時(shí),在導(dǎo)線的內(nèi)部及其周圍產(chǎn)生交變磁通,導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。

當(dāng)電感中通過(guò)直流電流時(shí),其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線,不隨時(shí)間而變化;可是當(dāng)在線圈中通過(guò)交流電流時(shí),其周圍將呈現(xiàn)出隨時(shí)間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律——磁生電來(lái)分析,變化的磁力線在線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),此感應(yīng)電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)“新電源”。當(dāng)形成閉合回路時(shí),此感應(yīng)電勢(shì)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流。由楞次定律知道感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁力線總量要力圖阻止原來(lái)磁力線的變化的。由于原來(lái)磁力線變化來(lái)源于外加交變電源的變化,故從客觀效果看,電感線圈有阻止交流電路中電流變化的特性。電感線圈有與力學(xué)中的慣性相類似的特性,在電學(xué)上取名為“自感應(yīng)”,通常在拉開(kāi)閘刀開(kāi)關(guān)或接通閘刀開(kāi)關(guān)的瞬間,會(huì)發(fā)生火花,這就是自感現(xiàn)象產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)所造成的。

總之,當(dāng)電感線圈接到交流電源上時(shí),線圈內(nèi)部的磁力線將隨電流的交變而時(shí)刻在變化著,致使線圈不斷產(chǎn)生電磁感應(yīng)。這種因線圈本身電流的變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì) ,稱為“自感電動(dòng)勢(shì)”。

由此可見(jiàn),電感量只是一個(gè)與線圈的圈數(shù)、大小形狀和介質(zhì)有關(guān)的一個(gè)參量,它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無(wú)關(guān)。

二、電感的作用

基本作用:濾波、振蕩、延遲、陷波、儲(chǔ)能、互感等

形象說(shuō)法:通直流,阻交流

細(xì)化解說(shuō):在電子線路中,電感線圈對(duì)交流有限流作用,它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等;變壓器可以

進(jìn)行交流耦合、變壓、變流和阻抗變換等。

三、電感的應(yīng)用

電感元件產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)總是組織線圈中的電流變化的,故電感元件對(duì)電流有阻力作用,阻力的大小用感抗XL來(lái)衡量。感抗XL與交流電的頻率及電感量的大小有關(guān)。感抗的這種關(guān)系可用下式表示,即:

XL=2∏fL,式中:f——交流電頻率(Hz) L——電感元件的電感量(H)

從上式可以看出,電感元件在低頻時(shí)XL較小,通過(guò)直流電時(shí),由于f=0,故XL=0,僅線圈直流電阻起作用,因此電阻很小,近似電感元件短路。所以,電感元件在直流電路中一般不用其感抗性能當(dāng)電感元件,在高頻下工作時(shí),XL很大,近似開(kāi)路。電感元件的這種特性與電容器正好相反,所以利用電感、電容就可組成各種高頻、低頻濾波器、調(diào)諧回路、選頻電路、振蕩回路、延遲回路及阻流器等,在電路中發(fā)揮著重要作用。

下面舉出一些電感元件在電路中的應(yīng)用實(shí)例。

1. 分頻網(wǎng)絡(luò)

左圖是音響電路的分頻電路圖。電感線圈L1和L2為空心密繞線圈,它們與C1、C2組成分頻網(wǎng)絡(luò),對(duì)高低音進(jìn)行分頻,以改善放音效果。

2. 濾波電路

右圖是電子管擴(kuò)音機(jī)的電源濾波電路圖。圖中L為插有硅鋼片的鐵心線圈,又稱為低頻扼流圈。它在電路中的作用是阻止參與交流電通過(guò),而僅讓直流電通過(guò)。

3. 選頻與阻流

下圖所示電路是單管半導(dǎo)體收音機(jī)電路。其中VT,為高頻半導(dǎo)體管,它是用來(lái)進(jìn)行放大的L1為天線線圈,它在磁棒上用多股導(dǎo)線繞制而成的。L1與C1、C2組成并聯(lián)諧振電路,對(duì)磁棒天線接收到的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行選頻,選出的信號(hào)由L1感應(yīng)到L2,由VT1進(jìn)行放大,放大了的信號(hào)送到L3,L3為一固定電感器,它的電感量為3mH,其作用是利用感抗阻止高頻信號(hào)進(jìn)入耳機(jī),而只讓音頻信號(hào)通過(guò),因此把L3稱為高頻阻流圈。L3對(duì)500kHz高頻信號(hào)的感抗很大,而L3對(duì)10kHz低頻信號(hào)的感抗很小,只有音頻信號(hào)可以通暢地經(jīng)過(guò)L3到達(dá)耳機(jī),從而使我們可以聽(tīng)到電臺(tái)的播音。

4. 與電容器組成振蕩回路

下圖所示電路是超外差半導(dǎo)體收音機(jī)中的變頻器電路。L4為振蕩線圈,它與C1b組成本機(jī)振蕩回路,L3為反饋線圈。本機(jī)振蕩的信號(hào)由C2傳送入VT1發(fā)射極,與由L1、C1a選擇出來(lái)的廣播信號(hào)在VT1內(nèi)進(jìn)行混頻,混頻后的信號(hào)從集電極輸出,并由中頻變壓器T2檢出465kHz中頻信號(hào)送往中頻放大器。

5. 補(bǔ)償電路

利用電感器的感抗隨頻率變化的特性,可進(jìn)行頻率補(bǔ)償。下圖是某電視機(jī)的視放電路,某高頻補(bǔ)償電路由L15、L16與VT15的集電極負(fù)載R80串聯(lián),使總的負(fù)載阻抗為Z=R80+XL16,頻率越高,感抗XL16越大,使高頻增益增大。同時(shí)L16與顯像管的輸入電容和分布電容形成并聯(lián)諧振。選取合適的L16值,使其諧振在放大器增益衰減的頻率上,可以提高諧振點(diǎn)上的增益。L15串聯(lián)在VT15與顯像管陰極之間,當(dāng)頻率增加時(shí),感抗XL15增大,使R80與XL15的并聯(lián)阻抗增大,即高頻負(fù)載電阻增加,也會(huì)起到提高高頻增益的作用。

6. 延遲作用

電感線圈在電路中還可起到延遲作用,使輸出的信號(hào)與輸入的信號(hào)基本不變,而只使輸出延遲一段時(shí)間,即信號(hào)的幅度不變,而僅相位發(fā)生變化。

下圖所示電路是彩色電視機(jī)亮度延遲線的典型應(yīng)用電路,其中DL301為亮度延遲線。亮度延遲線為特殊的電感器件,它的電感量由延遲時(shí)間和信號(hào)頻率確定

為了保證彩色電視信號(hào)中的亮度信號(hào)與色度信號(hào)疊加同步,亮度延遲線會(huì)將亮度信號(hào)延遲0.6us。

附:電感線圈與變壓器的區(qū)別

相關(guān)標(biāo)簽搜索：電路設(shè)計(jì)大全:上/下拉電阻、串聯(lián)匹配/0Ω電阻、磁珠、電感應(yīng)用 HFSS電磁分析培訓(xùn) HFSS培訓(xùn)課程 HFSS技術(shù)教程 HFSS無(wú)線電仿真 HFSS電磁場(chǎng)仿真 HFSS學(xué)習(xí) HFSS視頻教程 天線基礎(chǔ)知識(shí) HFSS代做 天線代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析