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詳解在電路設(shè)計(jì)中提高可靠性與抗干擾能力的方法

發(fā)布時間:2015-09-24 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】本文主要分析了在電路設(shè)計(jì)中提高可靠性與抗干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(chǔ)知識出發(fā),詳細(xì)的分析在設(shè)計(jì)當(dāng)中如何抗干擾。
 
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(zhuǎn)換成熱能, 因此, 如果電阻上消耗的功率過大, 會導(dǎo)致其過熱而燒毀.
 


 
2)基本參數(shù)
 
阻值,精度,功率. 使用時我們應(yīng)該注意以下一些問題:
 
在數(shù)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(yīng)該盡可能減少電阻的阻值的種類, 以方便采購和生產(chǎn).
 
只有在對精度要求特別高的場合, 如電源及運(yùn)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(yīng)該好好計(jì)算一下電阻消耗的功率, 否則如果實(shí)際消耗的功率大于其額定功率會燒毀電阻。
 
2.電容
 
1)基本概念
 
我們應(yīng)該知道幾個基本的公式:
 


 
2)特性參數(shù)
 
容值,精度,耐壓值,泄漏電流,頻率特性. 在使用的時候, 我們應(yīng)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于其額定的所能承受的電壓, 將會導(dǎo)致電容擊穿燒毀, 因此, 無論如何高于實(shí)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:泄漏電流是指在沒有故障施加電壓的情況下,電氣中帶相互絕緣的金屬零件之間,或帶電零件與接地零件之間,通過其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流稱為泄漏電流。極性電容中又分為正向泄漏電流和反向泄漏電流,反向泄漏電流很大,當(dāng)在極性電容兩端接上反向電壓時,由于反向泄露電流很大,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(shí)際電路中,電容等價于電容與電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)。其在高頻時呈感性,低頻時呈容性。高頻濾波用電容量小的獨(dú)石電容,低頻濾波時用電容量大的電解電容。
 
3.電感
 
1)基本概念
 
電感是閉合回路的一種屬性。當(dāng)線圈通過電流后,在線圈中形成磁場感應(yīng),感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。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)”
 


 
2)特性參數(shù)
 
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(dǎo)線組成,當(dāng)沒有磁芯時,電感量很小。
 
工作電流:在實(shí)際電路中,電感等效于自身串聯(lián)一個電阻,電流通過會產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)電流的電子器件。
 


 
2)特性參數(shù)
 
包括工作電流,正向?qū)妷海聪螂妷?,正向?qū)〞r間,反向恢復(fù)時間
 
正向?qū)妷海和饧诱螂妷簳r,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零,這一段稱為死區(qū)。這個不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后,PN結(jié)內(nèi)電場被克服,二極管正向?qū)?,電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi),導(dǎo)通時二極管的端電壓幾乎維持不變,這個電壓稱為二極管的正向?qū)妷骸?/div>
 
反向電壓:外加反向電壓不超過一定范圍時,通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。如果反向電壓過大,二極管就會被擊穿。
 
正向?qū)〞r間和反向恢復(fù)時間:在實(shí)際數(shù)字電路中,二極管的正向?qū)ㄅc反向回復(fù)都是需要一定的時間才能完成,為了提高電路系統(tǒng)穩(wěn)定性,我們要盡可能縮短導(dǎo)通與恢復(fù)時間,一般會用到肖特基二極管,俗稱快速二極管。
 


 
5.三極管
 
 
 
1)基本概念
 
半導(dǎo)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(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。
 


 
2)特性參數(shù)
 
包括功耗,頻率特性
 
頻率特性:三極管有三種工作區(qū)間,截止區(qū),放大區(qū)和飽和區(qū)。放大狀態(tài)亦稱為線性工作狀態(tài),Ic=ß·Ib,用在模擬電路中。截止和飽和狀態(tài)也稱為開關(guān)狀態(tài),應(yīng)用于數(shù)字電路中。
 
6.電源
 
實(shí)際電路中,電源存在內(nèi)阻,相當(dāng)于串聯(lián)一個電阻,此時輸出電壓就會有所下降,對電路中的干擾不可忽略。
 


 
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7.導(dǎo)線
 
實(shí)際電路中,導(dǎo)線有一定的內(nèi)阻,R=ρ·L/S,相當(dāng)與電感與電阻串聯(lián),由于電感自身存在渦流效應(yīng),所以在電路、尤其在高頻電路中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)線設(shè)計(jì)盡量短,盡量粗。
 


 
二.電路
 
1.三極管在電路中應(yīng)用
 
由金屬導(dǎo)線和電氣以及電子部件組成的導(dǎo)電回路,稱其為電路。
 
在三極管電路中,有三種工作狀態(tài),即截止?fàn)顟B(tài)。放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。在模擬電路中常用到線性放大狀態(tài),例如運(yùn)算放大器;在數(shù)字電路中常用到開關(guān)狀態(tài),即截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)。如下圖,
 


 
2.數(shù)字地與模擬地分開
 
在高要求電路中,數(shù)字地與模擬地必需分開。即使是對于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器同一芯片上兩種“地”最好也要分開,僅在系統(tǒng)一點(diǎn)上把兩種“地”連接起來。
 


 
3.LDO(低壓差分穩(wěn)壓器)
 
開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高,但輸出紋波電壓較高,噪聲較大,電壓調(diào)整率等性能也較差,特別是對模擬電路供電時,將產(chǎn)生較大的影響。在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器,如圖所示,就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波,而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度,同時電源系統(tǒng)的效率也不會明顯降低。
 


 
4.PWM(脈沖寬度調(diào)制)
 
簡稱脈寬調(diào)制(PWM),是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。
 

 
脈沖寬度調(diào)制是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用,方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的,因?yàn)樵诮o定的任何時刻,滿幅值的直流供電要么完全有(ON),要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候,斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。
 


 
根據(jù)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(shù)字電路干擾是一個一個小尖峰,不能用大電容濾波,只能用小電容;濾波電容一大一小(小電容濾除高頻干擾,大電容濾除低頻干擾)一定要放在根部,不要放太遠(yuǎn),也不要放在電路板背面。
 


 
三.結(jié)語
 
實(shí)際上,在模擬電路和數(shù)字電路中除了上述干擾現(xiàn)象,還有一些干擾是依然存在的,例如電源線電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)壓降、電路導(dǎo)線之間的相互干擾等。反映在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中,其危害最大的是高頻脈沖噪聲,這些都需要我們在平時的電路設(shè)計(jì)中加以考慮。希望我門通過上述探討,為后續(xù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)方面的工作打下基礎(chǔ)。


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