詳解在電路設計中提高可靠性與抗幹擾能力的方法
發布時間:2015-09-24 責任編輯:susan
【導讀】本文主要分析了在電路設計中提高可靠性與抗幹擾能力需要注意的問題,而這些都是從最基本、最常用的電子元器件和基本電路著手的。本文從基礎知識出發,詳細的分析在設計當中如何抗幹擾。
一、基本元件
1.電阻
1)基本概念
我們都知道, I = U/R這個公式, 也知道P = UI. 電阻是一種非儲能元件, 它直接將電能轉換成熱能, 因此, 如果電阻上消耗的功率過大, 會導致其過熱而燒毀.

2)基本參數
阻值,精度,功率. 使用時我們應該注意以下一些問題:
在數字電路中, 大部分對電阻的阻值要求不是很高(如大量使用的上拉和下拉電阻), 因此應該盡可能減少電阻的阻值的種類, 以方便采購和生產.
隻有在對精度要求特別高的場合, 如電源及運放的反饋電阻, 我們才選用高精度電阻(一般1%), 大部分場合我們選用5%精度的電阻就可以了.
在流過比較大的電流的電路中, 我們應該好好計算一下電阻消耗的功率, 否則如果實際消耗的功率大於其額定功率會燒毀電阻。
2.電容
1)基本概念
我們應該知道幾個基本的公式:

2)特性參數
容值,精度,耐壓值,泄漏電流,頻率特性. 在使用的時候, 我們應該要注意以下一些問題:
耐壓值:施加在電容上的電壓如果高於其額定的所能承受的電壓, 將會導致電容擊穿燒毀, 因此, 無論如何高於實際工作電壓1.5倍以上的電容耐壓值,此電容可選,否則電壓一旦超過耐壓值,電容就容易被燒壞。
泄漏電流:泄xie漏lou電dian流liu是shi指zhi在zai沒mei有you故gu障zhang施shi加jia電dian壓ya的de情qing況kuang下xia,電dian氣qi中zhong帶dai相xiang互hu絕jue緣yuan的de金jin屬shu零ling件jian之zhi間jian,或huo帶dai電dian零ling件jian與yu接jie地di零ling件jian之zhi間jian,通tong過guo其qi周zhou圍wei介jie質zhi或huo絕jue緣yuan表biao麵mian所suo形xing成cheng的de電dian流liu稱cheng為wei泄xie漏lou電dian流liu。極ji性xing電dian容rong中zhong又you分fen為wei正zheng向xiang泄xie漏lou電dian流liu和he反fan向xiang泄xie漏lou電dian流liu,反fan向xiang泄xie漏lou電dian流liu很hen大da,當dang在zai極ji性xing電dian容rong兩liang端duan接jie上shang反fan向xiang電dian壓ya時shi,由you於yu反fan向xiang泄xie露lu電dian流liu很hen大da,P=U·I,電容則會被燒毀,這也就是極性電容一定不能接反的原因。
頻率特性:實(shi)際(ji)電(dian)路(lu)中(zhong),電(dian)容(rong)等(deng)價(jia)於(yu)電(dian)容(rong)與(yu)電(dian)阻(zu)並(bing)聯(lian)再(zai)和(he)電(dian)感(gan)串(chuan)聯(lian)。其(qi)在(zai)高(gao)頻(pin)時(shi)呈(cheng)感(gan)性(xing),低(di)頻(pin)時(shi)呈(cheng)容(rong)性(xing)。高(gao)頻(pin)濾(lv)波(bo)用(yong)電(dian)容(rong)量(liang)小(xiao)的(de)獨(du)石(shi)電(dian)容(rong),低(di)頻(pin)濾(lv)波(bo)時(shi)用(yong)電(dian)容(rong)量(liang)大(da)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)。
3.電感
1)基本概念
電(dian)感(gan)是(shi)閉(bi)合(he)回(hui)路(lu)的(de)一(yi)種(zhong)屬(shu)性(xing)。當(dang)線(xian)圈(quan)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)後(hou),在(zai)線(xian)圈(quan)中(zhong)形(xing)成(cheng)磁(ci)場(chang)感(gan)應(ying),感(gan)應(ying)磁(ci)場(chang)又(you)會(hui)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)來(lai)抵(di)製(zhi)通(tong)過(guo)線(xian)圈(quan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)。這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)與(yu)線(xian)圈(quan)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)關(guan)係(xi)稱(cheng)為(wei)電(dian)的(de)感(gan)抗(kang),也(ye)就(jiu)是(shi)電(dian)感(gan),單(dan)位(wei)是(shi)“亨利(H)”

2)特性參數
包括電感量,精度,飽和電流,工作頻率,工作電流電感量,如圖,電感為一根鐵氧體磁芯和纏繞在其外部的銅導線組成,當沒有磁芯時,電感量很小。
工作電流:在實際電路中,電感等效於自身串聯一個電阻,電流通過會產生渦流形成熱量,電感太小,通過的電流就較大,W=1/2·L·i²,會導致過熱燒毀電感。

4.二極管
1)基本概念
二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管。它是一種具有單向傳導電流的電子器件。

2)特性參數
包括工作電流,正向導通電壓,反向電壓,正向導通時間,反向恢複時間
正向導通電壓:外加正向電壓時,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結jie內nei電dian場chang的de阻zu擋dang作zuo用yong,正zheng向xiang電dian流liu幾ji乎hu為wei零ling,這zhe一yi段duan稱cheng為wei死si區qu。這zhe個ge不bu能neng使shi二er極ji管guan導dao通tong的de正zheng向xiang電dian壓ya稱cheng為wei死si區qu電dian壓ya。當dang正zheng向xiang電dian壓ya大da於yu死si區qu電dian壓ya以yi後hou,PNjieneidianchangbeikefu,erjiguanzhengxiangdaotong,dianliusuidianyazengdaerxunsushangsheng。zaizhengchangshiyongdedianliufanweinei,daotongshierjiguandeduandianyajihuweichibubian,zhegedianyachengweierjiguandezhengxiangdaotongdianya。
反向電壓:外wai加jia反fan向xiang電dian壓ya不bu超chao過guo一yi定ding範fan圍wei時shi,通tong過guo二er極ji管guan的de電dian流liu是shi少shao數shu載zai流liu子zi漂piao移yi運yun動dong所suo形xing成cheng反fan向xiang電dian流liu。由you於yu反fan向xiang電dian流liu很hen小xiao,二er極ji管guan處chu於yu截jie止zhi狀zhuang態tai。如ru果guo反fan向xiang電dian壓ya過guo大da,二er極ji管guan就jiu會hui被bei擊ji穿chuan。
正向導通時間和反向恢複時間:zaishijishuzidianluzhong,erjiguandezhengxiangdaotongyufanxianghuifudoushixuyaoyidingdeshijiancainengwancheng,weiletigaodianluxitongwendingxing,womenyaojinkenengsuoduandaotongyuhuifushijian,yibanhuiyongdaoxiaotejierjiguan,suchengkuaisuerjiguan。

5.三極管
1)基本概念
半導體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。是能起放大、振蕩或開關等作用的半導體電子器件。

2)特性參數
包括功耗,頻率特性
頻率特性:三極管有三種工作區間,截止區,放大區和飽和區。放大狀態亦稱為線性工作狀態,Ic=ß·Ib,用在模擬電路中。截止和飽和狀態也稱為開關狀態,應用於數字電路中。
6.電源
實際電路中,電源存在內阻,相當於串聯一個電阻,此時輸出電壓就會有所下降,對電路中的幹擾不可忽略。

7.導線
實際電路中,導線有一定的內阻,R=ρ·L/S,相當與電感與電阻串聯,由於電感自身存在渦流效應,所以在電路、尤其在高頻電路中,設計人員應當將導線設計盡量短,盡量粗。

二.電路
1.三極管在電路中應用
由金屬導線和電氣以及電子部件組成的導電回路,稱其為電路。
在三極管電路中,有三種工作狀態,即截止狀態。放大狀態和飽和狀態。在模擬電路中常用到線性放大狀態,例如運算放大器;在數字電路中常用到開關狀態,即截止狀態和飽和狀態。如下圖,

2.數字地與模擬地分開
在高要求電路中,數字地與模擬地必需分開。即使是對於A/D、D/A轉換器同一芯片上兩種“地”最好也要分開,僅在係統一點上把兩種“地”連接起來。

3.LDO(低壓差分穩壓器)
開(kai)關(guan)性(xing)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)的(de)效(xiao)率(lv)很(hen)高(gao),但(dan)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)較(jiao)高(gao),噪(zao)聲(sheng)較(jiao)大(da),電(dian)壓(ya)調(tiao)整(zheng)率(lv)等(deng)性(xing)能(neng)也(ye)較(jiao)差(cha),特(te)別(bie)是(shi)對(dui)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)時(shi),將(jiang)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)開(kai)關(guan)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)接(jie)入(ru)低(di)壓(ya)差(cha)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi),如(ru)圖(tu)所(suo)示(shi),就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo),而(er)且(qie)也(ye)可(ke)大(da)大(da)提(ti)高(gao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)穩(wen)壓(ya)精(jing)度(du),同(tong)時(shi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)也(ye)不(bu)會(hui)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)。

4.PWM(脈衝寬度調製)
簡稱脈寬調製(PWM),是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控製的一種非常有效的技術。

脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)是(shi)一(yi)種(zhong)對(dui)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)進(jin)行(xing)數(shu)字(zi)編(bian)碼(ma)的(de)方(fang)法(fa)。通(tong)過(guo)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)使(shi)用(yong),方(fang)波(bo)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)被(bei)調(tiao)製(zhi)用(yong)來(lai)對(dui)一(yi)個(ge)具(ju)體(ti)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)平(ping)進(jin)行(xing)編(bian)碼(ma)。PWM信號仍然是數字的,因為在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要麼完全有(ON),要麼完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的(de)重(zhong)複(fu)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)被(bei)加(jia)到(dao)模(mo)擬(ni)負(fu)載(zai)上(shang)去(qu)的(de)。通(tong)的(de)時(shi)候(hou)即(ji)是(shi)直(zhi)流(liu)供(gong)電(dian)被(bei)加(jia)到(dao)負(fu)載(zai)上(shang)的(de)時(shi)候(hou),斷(duan)的(de)時(shi)候(hou)即(ji)是(shi)供(gong)電(dian)被(bei)斷(duan)開(kai)的(de)時(shi)候(hou)。隻(zhi)要(yao)帶(dai)寬(kuan)足(zu)夠(gou),任(ren)何(he)模(mo)擬(ni)值(zhi)都(dou)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)PWM進行編碼。

根據公式Ui-Uo=L·ΔI/Ton和公式-Uo=L·ΔI/Toff得知輸出電壓Uo
Uo=Ui·Ton/Toff。
5.濾波電容
在輸入電源上,數字電路幹擾是一個一個小尖峰,不能用大電容濾波,隻能用小電容;濾波電容一大一小(小電容濾除高頻幹擾,大電容濾除低頻幹擾)一定要放在根部,不要放太遠,也不要放在電路板背麵。

三.結語
實際上,在模擬電路和數字電路中除了上述幹擾現象,還有一些幹擾是依然存在的,例如電源線電流變化產生的感應壓降、電dian路lu導dao線xian之zhi間jian的de相xiang互hu幹gan擾rao等deng。反fan映ying在zai數shu字zi信xin號hao處chu理li係xi統tong中zhong,其qi危wei害hai最zui大da的de是shi高gao頻pin脈mai衝chong噪zao聲sheng,這zhe些xie都dou需xu要yao我wo們men在zai平ping時shi的de電dian路lu設she計ji中zhong加jia以yi考kao慮lv。希xi望wang我wo門men通tong過guo上shang述shu探tan討tao,為wei後hou續xu電dian路lu係xi統tong設she計ji及ji相xiang關guan方fang麵mian的de工gong作zuo打da下xia基ji礎chu。
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