本章主要讲解的是电阻、电容、电感的选型。
一、电阻:关键还是限流。
1、通常在电源滤波时除了LC外,还会串接一个R。目的是为了降低信号的Q值,防止信号失真。常用于失真电源滤波。(例如时钟电源滤波)
2、选型的电阻的封装太小,电路的电流超过电阻能承受的功率时就会烧坏电阻。
3、LC滤波是作为低通滤波器对高频滤波,电阻是对全频率进行滤波。导致信号上升的比较缓慢。降低Q值。
4、①在储能电路中,不宜串接电阻,储能电路的Q值越大,说明损耗越小,滤除噪声的能力越强。
②在电源或者信号回路中,Q值越大,信号就越陡峭。容易失真。串接一个电阻降低Q值,会使电路的波形更稳定。
二、电容:
1、温度会影响电容的性能。温度太低,即使在能承受的范围内也可能失效。
2、电容时储能元件。可以根据外部电压的变化进行充电和放电。上电瞬间电压很大,需要大一些的电容进行充电。避免因为瞬态电压过大,损耗后级电路。
3、(高频)高速电路中,信号不断的在0和1之间切换,器件的电流方向不断的在输出和输入直接切换,会产生大量的噪声。
此时需要一个旁路电容,在信号线上并联一个电容到地。FFR用的是100pF的三向电容。让噪声通过电容泄放到地。
三向电容就是:馈通电容滤波器,对高频信号噪声有很好的抑制作用。
4、实现交流耦合:HDMI信号转FPGA的的高速接口信号。HDMI为3.3V。转换为FPGA的接口信号为1.1V。通过电平转换芯片后,中间串接一个0.1uF电容进行隔离。隔离干扰噪声。
5、在LDO电源电路中,选取电容时,要注意LDO本身是否需要外部高ESR进行高频补偿,从而根据电容的ESR选型。
6、(旁路电容)电源滤波给芯片工作时,一般会串接一个电阻。
在电阻的前端放一个大电容,在电阻后端放一个小一些的电容,(高速小信号也常这么干,FFR输入也是这样)
前端电容是滤除输入进来的电源的干扰,后端电容是滤除芯片的反射干扰。
7、 电容在高频下成容性阻抗,从低频到谐振频率滤波效果越来越强,达到谐振频率时最强。
大于谐振频率时,呈感性的阻抗特性慢慢减弱。
8、高速电路中,噪声等干扰,往往都是一个频段的,不可能每处都能精准找到。只能尽可能的利用不同的电容组合,构造一个宽频、低阻抗的通频带。
①0603的1uF + 0402的0.01uF的组合,可以构成一个更低阻抗、频带更宽的通频带。
②当两个0603的1UF一个并联使用时,降低了电路的阻抗,但同频带没有拓展。
③0603的1uF和0603的0.1uF时,1uF电容基本不起作用。
9、陶瓷电容:
体积小、价格低、稳定性好、ESR小,使用与高频滤波,但是容量很小,在电源滤波时必须搭配钽电容或者、铝电容、或者OSCON电容。同时也受温度影响。
PS:尽量选用X7R的陶瓷电容。对应高频滤波一般选用1uF的0402的陶瓷电容比较多。
10、钽电容:
优点:温度特性好,ESL小,高频滤波性能也好。体积小,节省PCB面积,容值较大。
缺点:贵
常用于高性能的CPU等耗能器件滤波。
11、铝电容:只适用于低频滤波,高频不能用。
优点:容量大、耐压高。
缺点:温度温度性差、精度差、高频滤波性能差,仅适用于低频滤波。
12、OSCON电容:
优点:ESR小、温度稳定性比铝电容好、价格比铝电容低、
缺点:体积大,基本都是插针的。
多数用于DC/DC滤波。
去耦电容有两个作用:第一,为了保证期间稳定工作而给芯片的电源提供电流补充,因为在高速运行的器件上,会不断的产生快速变化的电荷需求。第二,为高速运行器件产生的高频噪声提供一个到地回路的路径。
PS:退耦电容和旁路电路本质没什么区别,都是为电路的干扰提供一条流回地平面的低阻抗回路。
三、电感:有压降,通直流,阻交流。阻碍电流变化,保持器件工作电流的稳定,滤波。
1、 LDO电路一般纹波都比较小,不需要进行LC滤波。
另外如果芯片内部有LDO电路,与外部的PCN三极管就会形成一个LDO电源,完全没有必要进行滤波。
2、电感会使得电源有压降,大电流的电路如果利用π型滤波,会造成电压衰减。可能会衰减到芯片所需的最小电压以下。
电源模块如果是过孔的,需要大电流的话。光靠单一过孔电流是不够的,
解决方法:① 采用花焊盘过孔代替普通过孔。增加电源的面积。
② 在过孔附近每层专门铺一个区域作为电源平面
③电源平面的宽度一定要够。
高速电路设计中电感的作用:
1、通直流,阻交流。
例如:DC-DCD的MOS管就是通过不断的开关的过程中会产生大量的交流分量,电感可以滤除这么交流分量干扰。
2、阻碍电流的变化,保持器件工作电流的稳定。
电感是由外表绝缘的导线以及电磁的线圈绕制而成。当线圈中通了电流,线圈就会产生磁场,电流变化时,线圈就会感应出电动势,从而产生与电路电流相反的方向的感应电流,阻碍电路电流的变化。
3、滤波:
电平状态高速变换的信号,往往产生大量的高频谐波,需要进行LC滤波。
电感选型:
1、电感值;
2、直流电阻: 电感值越大,直流电阻越大。
3、自谐振频率:电感值越大,自谐振频率越小。
4、额定电流:电感值越大,额定电流越小。
电感主要分为三种类型:
1、高频信号使用的电感:值很小,0.6~3.9nH.额定电流最大几百mA,谐振频率1G以上
2、一般信号用的电感:0.01~1000uH直流电阻很大。额定电流最大几十mA。谐振频率几十M到几百M。
3、电源滤波用的电感:电阻几mΩ到几Ω,1-470uF。最大可以有几A电流。 谐振频率几十M,是高速电路电源滤波最常用的电感。
(1)电感在到达谐振频率前,电感的感值非常稳定。
(2)电感超过谐振频率后,先是增大。随着频率越来越高,又急速变小。
PS:低于谐振频率时,电感呈感性,阻抗越来越大,到达谐振频率时最大,超过谐振频率,电感呈容性,阻抗随着频率增大而减小
在实际应用中:我们选择电感时。自谐振频率一定要比工作频率大。
注意事项:
①电感一定要在自谐振频率以下工作。
②电感在电源滤波时,需要考虑直流电阻带来的压降。
③工作电流小于额定电流,超过额定电流不一定会坏,但是感值一定会改变。影响性能。
总结:
1、高速信号用电感的选型,应该重点关注的是Q频率特性曲线,为电源滤波的电感,应重点考察其直流电阻和额定电流等参数。
2、LC滤波时,需要注意防止噪声频率点重合,以免共振。
电感是通低频,电容通高频,
因为频率越来越高,电感的磁通量就越小,信号就更难通过。
电感通低频阻高频,通直流阻交流;电容通高频阻低阻,通交流隔直流。
四、磁珠:
1、电容:因为电容通高频阻低频,在高频时,想当于构建一条低阻抗通道到地面。(需要电源完整性测试才能确定电容的值)
2、电感+电容:组成LC滤波,想当与是低通滤波器。低于多少HZ的频率无损耗通过,滤除高于频率f的信号。
3、磁珠:在高频时,吸收电压和信号的噪声等干扰, 把电能(干扰噪声)转换为热能。
磁珠选型:
①Z是由R和X组成,低频时,X起主导作用。高频时R起主导作用。X是反射噪声,R是吸收噪声。
②应该选择R与X的交叉点,频率低的磁珠。因为这样磁珠呈电阻性的频带就越宽,对低频噪声的吸收能力越强,反之电感性越强,吸收噪声的能力就越弱。
③磁珠选型时应该选择 R与X交叉点的频率 小于 工作频率。工作频率 小于 谐振频率。
④ 磁珠选型应该考虑: 额定电流,直流电阻、谐振频率。
注意:
① 磁珠的转换点频率越低,就是R与X交叉点。线路震荡和波形失真越小,反之则越大。
②磁珠的工作电流不能大于额定电流,需要考虑磁珠本身的直流阻抗会给电流带来压降。
③工作频率比谐振频率还高时,磁珠呈容性。
④磁珠的转换点频率和谐振频率,在意义上有所不同。
磁珠与电感的总结:
1) 电:电能转换为磁能,然后通过两个方式干扰电路:①电能,表现为噪声。②是向外部辐射,表现为EMI干扰。
2)电感在50MHZ一下的滤波特性比较好。磁珠在高频时利用电能转换为热能,充分吸收高频噪声。并且还抗辐射。常用于接口电路的滤波和单板上的电源滤波。
3)电感和电容都是储能器件,配合起来可能产生自激,磁珠是耗能器件。不会和电容引起自激。
4)电感能承受的电流比较大,用于DCDC。磁珠相对比较小。用于芯片级的电源滤波。
5)电感的DCR比较大,磁珠的直流电阻比较小。
共同点:
额定电流:电感超过额定电感值会减小,但是不一定会损坏,磁珠超过了一定会损坏。
直流电阻:电感和磁珠本身有DCR,会使电路产生一定的压降。
频率特性曲线:datasheet中都有图。需仔细参考这个曲线。
文章来源:https://www.uudwc.com/A/PmBoz/
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