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滤波电容

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zhiyonghe|  楼主 | 2009-4-17 20:37 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
滤波电容用在电源整流电路中,用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方,用来消除自激,使放大器稳定工作。旁路电容用在有电阻连接时,接在电阻两端使交流信号顺利通过。 1.关于去耦电容蓄能作用的理解1)去耦电容主要是去除高频如RF信号的干扰,干扰的进入方式是通过电磁辐射。而实际上,芯片附近的电容还有蓄能的作用,这是第二位的。你可以把总电源看作密云水库,我们大楼内的家家户户都需要供水,这时候,水不是直接来自于水库,那样距离太远了,等水过来,我们已经渴的不行了。实际水是来自于大楼顶上的水塔,水塔其实是一个buffer的作用。如果微观来看,高频器件在工作的时候,其电流是不连续的,而且频率很高,而器件VCC到总电源有一段距离,即便距离不长,在频率很高的情况下,阻抗Z=jωL+R,线路的电感影响也会非常大,会导致器件在需要电流的时候,不能被及时供给。而去耦电容可以弥补此不足。这也是为什么很多电路板在高频器件VCC管脚处放置小电容的原因之一。(在VCC引脚上通常并联一个去耦电容,这样交流分量就从这个电容接地。)2)有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。 2.旁路电容和去耦电容的区别去耦:去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源,它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。旁路:从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分,另外还可以提供基带滤波功能(带宽受限)。我们经常可以看到,在电源和地之间连接着去耦电容,它有三个方面的作用:一是作为本集成电路的蓄能电容;二是滤除该器件产生的高频噪声,切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对

  1.滤波器的功能 
     滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。
 滤波器中,把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带;反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带;通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;理想滤波器在通带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零;实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。 
2.滤波器的分类 
( 1)按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 
( 2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 
低通滤波器:它允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声。 
高通滤波器:它允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量。 
带通滤波器:它允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 
带阻滤波器:它抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。 
( 3)按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 
     无源滤波器: 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单,不需要直流电源供电,可靠性高;缺点是:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。 
     有源滤波器:由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件);缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如 无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。 
3. 滤波器的主要参数 
( 1)通带增益A0:滤波器通带内的电压放大倍数。 
( 2)特征角频率 和特征频率fn:它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关,通常对于带通(带阻)滤波器,称为带通(带阻)滤波器的中心角频率 或中心频率f0,是 通带(阻带)内电压增益最大(最小)点的频率。 
( 3)截止角频率 和截止频率f0:它是电压增益下降到 (即)时所对应的角频率。必须注意 不一定等于 。带通和带阻滤波器有两个。 
( 4)通带(阻带)宽度BW:它是带通(带阻)滤波器的两个之差值。 
( 5)等效品质因数Q:对低通和高通滤波器而言,Q值等于 时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比,即 ;对带通(带阻)滤波器而言,Q值等于中心角频率与通带(阻带)宽度BW之比。 
4. 有源滤波器的阶数 
     有源滤波器传递函数分母中“S”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高,滤波器幅频特性的过渡带越陡,越接近理想特性。一般情况下,一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减;二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。 
5. 低通和高通滤波器之间的对偶关系 
( 1)幅频特性的对偶关系 
    当低通滤波器和高通滤波器的通带增益 A0、 截止频率 或 f0分别相等时,两者的幅频特性曲线相对于垂直线f=f0对称。 
( 2)传递函数的对偶关系 
    将低通滤波器传递函数中的S换成1/S,则变成对应的高通滤波器的传递函数。 
( 3)电路结构上的对偶关系 
    将低通滤波器中的 起滤波作用的电容C换成电阻R,并将起滤波作用的电阻R换成电容C,则低通滤波器 转化为对应的高通滤波器。 
  ESR,是EquivalentSeriesResistance三个单词的缩写,翻译过来就是“等效串连电阻”。 
  理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串连在一起,所以就起了个名字叫做“等效串连电阻”。
ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。
  比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源啦一类的,都使用低ESR的电容器。 
  同样的,在振荡电路等场合,ESR也会引起电路在功能上发生变化,引起电路失效甚至损坏等严重后果。 
  所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。 
  不过事情也有例外,有些时候,这个ESR也被用来做一些有用的事情。 
  比如在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这个快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积/容量受到严格限制的时候。这种情况见于一些使用mos管做调整管的三端稳压或者相似的电路中。这时候,太低的ESR反而会降低整体性能。
  ESR是等效“串连”电阻,意味着,将两个电容串连,会增大这个数值,而并联则会减少之。 
  实际上,需要更低ESR的场合更多,而低ESR的大容量电容价格相对昂贵,所以很多开关电源采取的并联的策略,用多个ESR相对高的铝电解并联,形成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB空间,换来器件成本的减少,很多时候都是划算的。 
  和ESR类似的另外一个概念是ESL,也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL,而且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分,并且ESL也会引发一些电路故障,比如串连谐振等。但是相对容量来说,ESL的比例太小,出现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的进步,现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。 
  顺便,电容也存在一个和电感类似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少使用。 
由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串连一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。
零欧姆电阻的作用
1,在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。
2,可以做跳线用,如果某段线路不用,直接不贴该电阻即可(不影响外观)。
3,在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代替。
4,想测某部分电路的耗电流的时候,可以去掉0ohm电阻,接上电流表,这样方便测耗电流。
5,在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻。
6,在高频信号下,充当电感或电容。(与外部电路特性有关)电感用,主要是解决EMC问题。如地与地,电源和IC Pin间。
7,单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统)。
8,熔丝作用
*模拟地和数字地单点接地*
  只要是地,最终都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是"浮地",存在压差,容易积累电荷,造成静电。地是参考0电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷,始终维持稳定,是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地,但发电厂是接大地的,板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,理由如上有四种方法解决此问题:1、用磁珠连接;2、用电容连接;3、用电感连接;4、用0欧姆电阻连接。
  磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。 
  电容隔直通交,造成浮地。
  电感体积大,杂散参数多,不稳定。
  0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。
  *跨接时用于电流回路*
  当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。
  *配置电路*
  一般,产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。
  空置跳线在高频时相当于天线,用贴片电阻效果好。
  *其他用途* 布线时跨线
  调试/测试用
  临时取代其他贴片器件
  作为温度补偿器件
更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要挖孔)。

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沙发
zhiyonghe|  楼主 | 2009-4-17 20:40 | 只看该作者

电子元器件基础知识

    常用元器件的识别
            一、电阻
            电阻在电路中用“R”加数字表示,如:R15表示编号为15的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置、滤波(与电容器组合使用)和阻抗匹配等。
              参数识别:电阻的单位为欧姆(Ω),倍率单位有:千欧(KΩ),兆欧 (MΩ)等。换算方法是:1兆欧=1000千欧=1000000欧 
              电阻的参数标注方 法有3种,即直标法、色标法和数标法。 
                数标法主要用于贴片等小体积的电路,如: 
472 表示 47×102Ω(即4.7K);  104则表示100K色环标注法使用最多,现举例如下: 
四色环电阻                      五色环电阻(精密电阻)电阻的色标位置和倍率关系如下表所示: 
      颜色 有效数字 倍率 允许偏差(%)
      银色 / 10-2 ±10
      金色 / 10-1 ±5
      黑色 0 100 /
      棕色 1 101 ±1
      红色 2 102 ±2
      橙色 3 103 /
      黄色 4 104 /
      绿色 5 105 ±0.5
      蓝色 6 106 ±0.2
      紫色 7 107 ±0.1
      灰色 8 108 /
      白色 9 109 +5至 -20
      无色 / / ±20
      二、电容
            1、电容在电路中一般用“C”加数字表示(如C25表示编号为25的电容)。电容是由两片金属膜紧靠,中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。
            电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小,电容对交流信号的阻碍作用称为容抗,它与交流信号的频率和电容量有关。容抗XC=1/2πf c 
            (f表示交流信号的频率,C表示电容容量)
            电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
            2、识别方法:电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同,分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉(F)表示,其它单位还有:毫法(mF)、微法(uF)、纳法(nF)、皮法(pF)。
            其中:1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法容量大的电容其容量值在电容上直接标明,如10 uF/16V 
            容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法:1m=1000 uF   1P2=1.2PF  1n=1000PF
数字表示法:一般用三位数字表示容量大小,前两位表示有效数字,第三位数字是倍率。

如:102表示10×102PF=1000PF     224表示22×104PF=0.22 uF
3、电容容量误差表
                  符 号FGJKLM
                  允许误差±1% ±2% ±5% ±10% ±15% ±20%

            如:一瓷片电容为104J表示容量为0. 1 uF、误差为±5%。
            4、故障特点 
              在实际维修中,电容器的故障主要表现为:


              (1)引脚腐蚀致断的开路故障。
              (2)脱焊和虚焊的开路故障。
              (3)漏液后造成容量小或开路故障。
              (4)漏电、严重漏电和击穿故障。

            三、晶体二极管
            晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示,如: D5表示编号为5的二极管。
            1、作用:二极管的主要特性是单向导电性,也就是在正向电压的作用下,导通电阻很小;而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性,无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。
            电话机里使用的晶体二极管按作用可分为:整流二极管(如1N4004)、隔离二极管(如1N4148)、肖特基二极管(如BAT85)、发光二极管、稳压二极管等。 

            2、识别方法:二极管的识别很简单,小功率二极管的N极(负极),在二极管外表大多采用一种色圈标出来,有些二极管也用二极管专用符号来表示P极(正极)或N极(负极),也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别,长脚为正,短脚为负。
            3、测试注意事项:用数字式万用表去测二极管时,红表笔接二极管的正极,黑表笔接二极管的负极,此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值,这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
            4、常用的1N4000系列二极管耐压比较如下: 
型号 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007
耐压(V) 50 100 200 400 600 800 1000
电流(A) 均为1
四、稳压二极管
            稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示,如:ZD5表示编号为5的稳压管。
            1、稳压二极管的稳压原理:稳压二极管的特点就是击穿后,其两端的电压基本保持不变。这样,当把稳压管接入电路以后,若由于电源电压发生波动,或其它原因造成电路中各点电压变动时,负载两端的电压将基本保持不变。
            2、故障特点:稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中,前一种故障表现出电源电压升高;后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。
            常用稳压二极管的型号及稳压值如下表: 型 
                  号1N47281N47291N47301N47321N47331N47341N47351N47441N47501N47511N4761
                  稳压值3.3V3.6V3.9V4.7V5.1V5.6V6.2V15V27V30V75V

            五、电感
            电感在电路中常用“L”加数字表示,如:L6表示编号为6的电感。
            电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。

            直流可通过线圈,直流电阻就是导线本身的电阻,压降很小;当交流信号通过线圈时,线圈两端将会产生自感电动势,自感电动势的方向与外加电压的方向相反,阻碍交流的通过,所以电感的特性是通直流阻交流,频率越高,线圈阻抗越大。电感在电路中可与电容组成振荡电路。
            电感一般有直标法和色标法,色标法与电阻类似。如:棕、黑、金、金表示1uH(误差5%)的电感。 
电感的基本单位为:亨(H) 换算单位有:1H=103mH=106uH。
六、变容二极管
            变容二极管是根据普通二极管内部 “PN结” 
            的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上,实现低频信号调制到高频信号上,并发射出去。在工作状态,变容二极管调制电压一般加到负极上,使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。
              变容二极管发生故障,主要表现为漏电或性能变差: 
              (1)发生漏电现象时,高频调制电路将不工作或调制性能变差。

              (2)变容性能变差时,高频调制电路的工作不稳定,使调制后的高频信 号发送到对方被对方接收后产生失真。出现上述情况之一时,就应该更换 
              同型号的变容二极管。 
            七、晶体三极管
            晶体三极管在电路中常用“Q”加数字表示,如:Q17表示编号为17的三极管。
            1、特点:晶体三极管(简称三极管)是内部含有2个PN结,并且具有放大能力的特殊器件。它分NPN型和PNP型两种类型,这两种类型的三极管从工作特性上可互相弥补,所谓OTL电路中的对管就是由PNP型和NPN型配对使用。
            电话机中常用的PNP型三极管有:A92、9015等型号;NPN型三极管有:A42、9014、9018、9013、9012等型号。
            2、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用,在常见电路中有三种接法。为了便于比较,将晶体管三种接法电路所具有的特点列于下表,供大家参考。 

                  名称共发射极电路共集电极电路(射极输出器)共基极电路
                  输入阻抗中(几百欧~几千欧)大(几十千欧以上)小(几欧~几十欧)
                  输出阻抗中(几千欧~几十千欧)小(几欧~几十欧)大(几十千欧~几百千欧)
                  电压放大倍数大小(小于1并接近于1)大
                  电流放大倍数大(几十)大(几十)小(小于1并接近于1)
                  功率放大倍数大(约30~40分贝)小(约10分贝)中(约15~20分贝)
                  频率特性高频差好好

            续表
            应用 多级放大器中间级,低频放大 输入级、输出级或作阻抗匹配用高频或宽频带电路及恒流源电路
            3、在线工作测量
            在实际维修中,三极管都已经安装在线路板上,要每只拆下来测量实在是一件麻烦事,并且很容易损坏电路板,根据实际维修,本人总结出一种在电路上带电测量三极管工作状态来判断故障所在的方法,供大家参考:
                  类别故障发生部位测试要点
                  e-b极开路Ved>1vVed=V+
                  e-b极短路Veb=0vVcd=0v Vbd升高
                  Re开路Ved=0v
                  Rb2开路Vbd=Ved=V+
                  Rb2短路Ved约为0.7V
                  Rb1增值很多,开路Vec<0.5vVcd升高
                  e-c极间开路Veb=0.7v Vec=0vVcd升高
                  b-c极间开路Veb=0.7vVed=0v
                  b-c极间短路Vbc=0vVcd很低
                  Rc开路Vbc=0vVcd升高Vbd不变
                  Rb2阻值增大很多Ved约为V+Vcd约为0V
                  Ved电压不稳三极管和周围元件有虚焊


                  类 别故障发生部位测 试 要 点
                  Rb1开路Vbe=0Vcd=V+ Ved=0
                  Rb1短路Vbe约为1vVed=V-Vbe
                  Rb2短路Vbd=0v Vbe=0vVcd=V+
                  Re开路Vbd升高Vce=0v Vbe=0v
                  Re短路Vbd=0.7vVbe=0.7v
                  Rc开路Vce=0vVbe=0.7v Ved约为0v
                  c-e极短路Vce=0v Vbe=0.7vVed升高
                  b-e极开路Vbe>1v Ved=0vVcd=V+
                  b-e极短路Vce约为V+ Vbe=0vVcd约为0v
                  c-b极开路Vce=V+ Vbe=0.7vVed=0v
                  c-b极短路Vcb=0v Vbe=0.7vVcd=0v

            八、场效应晶体管放大器
            1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点,因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级,可以获得一般晶体管很难达到的性能。
            2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类,其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号:
            3、场效应管与晶体管的比较
            (1)场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。
            (2)场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。
            (3)有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。
            (4)场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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板凳
liuxingyudi| | 2011-3-5 14:18 | 只看该作者
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地板
sim-happiness| | 2011-3-5 15:31 | 只看该作者
很详细,珍藏了,谢谢LZ!!

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bbsidking| | 2011-3-6 19:21 | 只看该作者
头大!

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