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一、PCB元器件摆放的小技巧

PCB设计中有非常多关于布线线宽、布线叠层、原理图等相关的技术规范。

    事实上,关于元器件摆放限制很少,但这并不意味着你可以为所欲为。分享十条PCB元器件摆放小建议给电子设计初学者。

为什么元器件摆放那么重要?

    PCB设计开始时,费尽心思精心摆放器件可以起到事半功倍的效果,也有利于提高PCB的电气特性。被用心设计的电路板很容易吸引眼球,整洁、美观。

    在器件摆放完之后,使用电路板设计软件中的自动布线进行布线,查看自动布线后的电路通率,可以帮你判断是否你的电路板元器件摆放是否合适。

    PCB元器件摆放的小技巧如下。

弄清电路板物理限制

    摆放元器件之前,首先需要确切知道电路板的安装孔、边缘接插件的位置以及电路板的机械尺寸限制。

    因为这些因素影响你的电路板的尺寸和外形。曾见过某位设计的电路板无法装进电路板固定区域,只好重新设计。可以有意对那些机械限制(安装孔、电路外轮廓)设置一个清空区,这样你就可以放心在允许范围内进行创作了。

弄清电路板制作工艺

    同样,在放置电路元器件之前,你最好从电路生产商那儿弄清几个关键信息:

  • 电路的组装工艺和测试流程
  • 是否需要对PCB V型切槽预留空间
  • 元器件焊接工艺:是波峰焊、分区焊接还是手工焊接

    电路板制作工艺将会影响元器件之间对空隙大小的需求。

    如果你的电路板将来会在流水线上被焊接,你就需要在电路板边缘额外留出空间(大于20mil)用于电路板固定在传送带上。电路板上额外的固定板,它在电路板焊接完之后将会被掰掉。

mil(中文译音:密耳),即千分之一英寸,等于0.0254mm(毫米)。

一般用来标明丝、线的直径或按页出售的材料的厚度。

常用直径尺寸的密尔与毫米换算如下:

  • 1.0mil = 0.025mm
  • 1.2mil = 0.030mm
  • 1.25mil = 0.032mm

给集成芯片留下空间

    在布置任何元器件的时候,都需要尽可能在它们之间留下至少350mil的距离,对于引脚多的芯片,留的空间需要更大。

    现在的芯片引脚原来越多,越来越密。如果集成芯片相距过于亲密,就会有很大可能无法将它们的引线轻松的引出布线,往往是越到后来布线越难。

    如下图,这种BGA封装的芯片引脚那么密集。如果在它周围不预留下足够的空间后面会很艰难。

相同器件方向一致

    对于相同的器件尽可能让他们排好队,保持一致的队形。这样做主要为了便于后期电路板的组装、检查和测试,尤其对表面封装的器件在波峰焊接过程中,电路板匀速经过融化焊锡波峰。均匀摆放的器件加热过程均匀,可以保证焊点一致性高。

减少引线交叉

    通过调整器件位置和方向,减少引线交叉。

    现在很多PCB设计软件都会提供一种功能,比如下图就显示了原理图中所有器件管脚之间的连接关系,通过图中细的灰色直线表示。这种线被称为ratsnest:y飞线,预拉线。如下图,是显示飞线的PCB界面。

    通过改变器件的位置和方向,尽量减少器件之间引线交叉,可以为后面布线节省大量的精力。

先摆放电路边缘器件

    对于因受机械限制而无法任意移动的器件要先进行摆放,比如电路板上的外部接插件、开关、USB端口等等。

    如下图中,计算机主板上的外围接口器件位置是与机箱设计紧密相关的,它们的位置需要预先确定下来,不容更改。

避免器件之间冲突

    最好在所有器件之间保持40mil(1mm)的距离。避免在之后电路制作过程中,在焊盘之间产生短路故障。另外,紧密摆放也会增加布线难度。在放置过孔的时候也要避免过于密集。这些小圆孔将来也可能裸露出铜皮,造成电路板短路。

将器件尽量放在同一面

    如果你设计两层电路板,最常见的建议就是将器件摆放在同一面。这是为了后期电路板制作时少费力气。通常情况下电路板上的器件是通过自动器件摆放机器完成,器件只在一面,生产PCB过程只需要一遍即可,降低生产成本。

保持芯片管脚和器件极性一致

    每个集成芯片都有标志给出管脚1的起始位置。对于芯片的管脚1所在的方位,或者有极性的器件,比如电容、二极管、三极管、LED等,方向保持一致,也会给电路板制作带来方便。

    当你要焊接的电路板上的元器件极性和方向非常混乱,成功焊接的难度可想而知,或许你要小心翼翼,一个个确认方向。

    如下图中,通常集成芯片封装上会有小点表示管脚1的位置。保持所有芯片的方向一致便于你焊接和检查。

器件位置与原理图上相似

    在摆放元器件时,按照原理图上的位置关系进行摆放。

    实际上在设计原理图的时候就已经优化了器件之间的位置关系,使得连线最短、交叉最少。在后期手工布线的时候,原理图也会帮你选择合理的最短路径来布线。

总结

    好的PCB设计始于元器件布局。当作艺术品来设计,坚持把精力放在器件的合理摆放上,这也许是PCB设计中最值得全力以赴的事情。

二、PCB布局思路分析

分析好整个电路原理以后,就可以开始对整个电路进行布局布线,下面,给大家介绍一下布局的思路和原则。

1、首先,我们会对结构有要求的器件进行摆放,摆放的时候根据导入的结构,连接器得注意1脚的摆放位置。

2、布局时要注意结构中的限高要求。

3、 如果要布局美观,一般按元件外框或者中线坐标来定位(居中对齐)。

4、 整体布局要考虑散热。

5、 布局的时候需要考虑好布线通道评估、考虑好等长需要的空间。

6、 布局时需要考虑好电源流向,评估好电源通道。

7、 高速、中速、低速电路要分开。

8、强电流、高电压、强辐射元器件远离弱电流、低电压、敏感元器件。

9、 模拟、数字、电源、保护电路要分开。

10、 接口保护器件应尽量靠近接口放置。

11、 接口保护器件摆放顺序要求:(1)一般电源防雷保护器件的顺序是:压敏电阻、保险丝、抑制二极管、EMI滤波器、电感或者共模电感,对于原理图 缺失上面任意器件顺延布局;(2)一般对接口信号的保护器件的顺序是:ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容、电阻,对于原理图缺失上面任意器件顺延布局;严格按照原理图的顺序(要有判断原理图是否正确的能力)进行“一字型”布局。

12、电平变换芯片(如RS232)靠近连接器(如串口)放置。

13、 易受ESD干扰的器件,如NMOS、 CMOS器件等,尽量远离易受ESD干扰的区域(如单板的边缘区域)。

14、 时钟器件布局:(1)晶体、晶振和时钟分配器与相关的IC器件要尽量靠近;(2)时钟电路的滤波器(尽量采用“∏”型滤波)要靠近时钟 电路的电源输入管脚;(3)晶振和时钟分配器的输出是否串接一个22欧姆的电阻;(4)时钟分配器没用的输出管脚是否通过电阻接地;(5)晶体、晶振和时钟分配器的布局要注意远离大功率的元器件、散热器等发热的器件;(6)晶振距离板边和接口器件是否大于1inch。

15、开关电源是否远离AD\DA转换器、模拟器件、敏感器件、时钟器件。

16、开关电源布局要紧凑,输入\输出要分开, 严格按照原理图的要求进行布局,不要将开关电源的电容随意放置。

17、 电容和滤波器件 :(1)电容务必要靠近电源管脚放置,而且容值越小的电容要越靠近电源管脚;(2)EMI滤波器要靠近芯片电源的输入口;(3)原则上每个电源管脚一个0.1uf的小电容、一个集成电路一个或多个10uf大电容,可以根据具体情况进行增减;

三、从焊接角度谈画PCB时应注意哪些问题

随着电子技术的飞速发展,电子元器件的小型化、微型化、间距为0.3mm~0.5mm高密度的芯片越来越普遍,对电子焊接技术的要求也就越来越高。虽然现在有了更精密的贴片机可以代替人工焊接,但影响焊接质量的因素太多。本文将从贴片焊接的角度,介绍了几点PCB设计时需要注意的要点,根据经验,如果未按照这些要求,很有可能造成焊接质量不高,虚焊和甚至在返修PCB的时候损坏焊盘或电路板。

一)、影响PCB焊接质量的因素

从PCB设计到所有元件焊接完成为一个质量很高的电路板,需要PCB设计工程师乃至焊接工艺、焊接工人的水平等诸多环节都有着严格的把控。主要有以下因素:PCB图、电路板的质量、器件的质量、器件管脚的氧化程度、 锡膏的质量、锡膏的印刷质量、贴片机的程序编制的精确程度、贴片机的贴装质量、回流焊炉的温度曲线的设定等等因素。

焊接厂本身无法逾越的环节就是PCB画图的环节。由于做电路设计的人往往不焊电路板从而无法获得直接的焊接经验,不知道影响焊接的各种因素;而焊接厂的工人不 懂画板,他们只管完成生产任务,没有心思、更没有能力分析造成不良焊接的原因。由于这两方面的人才各司其职,难以有机结合。

二)、画PCB图时的建议

下面我就PCB画图的环节给画PCB图的设计布线工程师们提出一些建议,希望在画图的过程中能避免出现影响焊接质量的各种不良画法。将主要以图文的形式介绍。

1、关于定位孔:PCB板的四角要留四个孔(最小孔径 2.5mm),用于印刷锡膏时定位电路板。要求X轴或Y轴方向圆心在同一轴线上,如下图:

2、关于Mark点:用于贴片机定位。PCB板上要标注Mark点,具体位置:在板的斜对角,可以是圆形,或方形的焊盘,不要跟其它器件的焊盘混在一起。如果双面有器件,双面都要标注。

设计PCB时,请注意以下几点:

a、Mark点的形状如以下图案。(上下对称或左右对称)

b、A的尺寸为2.0mm。

c、从Mark点的外缘离2.0mm的范围内,不应有可能引起错误的识别的形状和颜色变化。(焊盘、焊膏)

d、Mark点的颜色要和周围PCB的颜色有明暗差异。

e、为了确保识别精度,Mark点的表面上电镀铜或锡来防止表面反射。对形状只有线条的标记,光点不能识别。

如下图所示:

3、关于留5mm边:画PCB时,在长边方向要留不少于3mm的边用于贴片机运送电路板,此范围内贴片机无法贴装器件。此范围内不要放置贴片器件。如图:

双面有器件的电路板应考虑到第二次过回流时会把已焊好的一面靠边的器件蹭掉,严重时会蹭掉焊盘、毁坏电路板。如下图所示:

所以建议芯片少的一面(一般为Bottom面)的长边离边5mm范围内不要放置贴片器件。如果确实由于电路板面积受限,可以在长边加工艺边,参见本文17条“关于拼板的建议及加工艺边”。

4、不要直接在焊盘上过孔:直接在焊盘上过孔的缺陷是在过回流时锡膏熔化后流到过孔内,造成器件焊盘缺锡,从而形成虚焊。如图:

5、关于二极管、钽电容的极性标注:二极管、钽电容的极性标注应符合行规,以免工人凭经验焊错方向。如图:

6、关于丝印和标识:请将器件型号隐藏。尤其是器件密度高的电路板。否则,眼花缭乱影响找到焊接位置。如下图:

也不要只标型号,不标标号。如下图所示,造成贴片机编程时无法进行。

丝印字符的字号不应太小,以至于看不清。字符放置位置应错开过孔,以免误读。

7、关于IC焊盘应延长:SOP、PLCC、QFP等封装的IC画PCB时应延长焊盘,PCB上焊盘长度=IC脚部长度×1.5为适宜,这样便于手工用烙铁焊接时,芯片管脚与PCB焊盘、锡三者熔为一体。如图:

8、关于IC焊盘的宽度:SOP、PLCC、QFP等封装的IC,画PCB时应注意焊盘的宽度,PCB上焊盘a的宽度=IC脚部宽度(即:datasheet中的Nom.值),请不要增宽,保证b(即两焊盘间)有足够的宽度,以免造成连焊。如图:

9、放置器件不要旋转任意角度:由于贴片机无法旋转任意角度,只能旋转90℃、180℃、270℃、360℃。如下图B 旋转了1℃,贴片机贴装后器件管脚与电路板上的焊盘就会错开1℃的角度,从而影响焊接质量。

10、相邻管脚短接时应注意的问题:下图a的短接方法不利于工人识别该管脚是否应该相连,且焊接后不美观。如果画图时按图b、图c的方法短接并加上阻焊,焊接出来的效果就不一样:只要保证每个管脚都不相连,该芯片就无短路现象,而且外观也美观。

11、关于芯片底下中间有焊盘的问题:芯片底下中间有焊盘的芯片画图时如果按芯片的封装图画中间的焊盘,就容易引起短路现象。建议将中间的焊盘缩小,使它与周围管脚焊盘之间的距离增大,从而减少短路的机会。如下图:

12、厚度较高的两个器件不要紧密排在一起:如下图所示,这样布板会造成贴片机贴装第二个器件时碰到前面已贴的器件,机器会检测到危险,造成机器自动断电。

13、关于BGA:由于BGA封装比较特殊,其焊盘都在芯片底下,外面看不到焊接效果。为了返修方便,建议在PCB板上打两个 Hole Size:30mil 的定位孔,以便返修时定位(用来刮锡膏的)钢网。

温馨提示:定位孔的大小不宜过大或过小,要使针插入后不掉、不晃动、插入时稍微有点紧为宜,否则定位不准。如下图:

而且建议BGA周围一定的范围内要留出空地别放置器件,以便返修时能放得下网板刮锡膏。

14、关于PCB板的颜色:建议不要做成红色。因为红色电路板在贴片机的摄像机的红色光源下呈白色,无法进行编程,不便于贴片机进行焊接。

15、关于大器件下面的小器件:有的人喜欢将小的器件排在同一层的大器件底下,比如:数码管底下有电阻,如下图:

如此排版会给返修造成困难,返修时必须先拆数码管,还有可能造成数码管损坏。建议将数码管底下的电阻排到Bottom面,如下图:

16、关于覆铜与焊盘相连影响熔锡:由于覆铜会吸收大量热量,造成焊锡难以充分熔化,从而形成虚焊。如图所示:

图a中器件焊盘直接与覆铜相连;图b中50Pins连接器虽然没直接与覆铜相连,但由于四层板的中间两层为大面积覆铜,所以图a、图b都会因为覆铜吸收 大量热量而造成锡膏不能充分熔化。图b中50Pins连接器的本体是不耐高温的塑料,若温度设定高了,连接器的本体会熔化或变形,若温度设定低了,覆铜吸 收大量热量而造成锡膏不能充分熔化。因此,建议焊盘与大面积覆铜隔离。如图所示:

17、关于拼板的建议及加工艺边:

三)、总结

现如今,能用软件进行画图,布线并设计PCB的工程师越来越多,但是一经设计完成,并能很好的提高焊接效率,作者认为需要重点注意以上要素。并且培养良好的画图习惯,能够很好的以加工工厂进行很好的沟通,是每一个工程师都要考虑的。

四、电路设计误区盘点

电路设计并不是想当然,你脑子一拍就可以设计出来,有没有经验设计出来的东西是相差千里。来看看电子工程师会出现的下面的几个误区,你是不是也这样想的。

误区一:

    这板子的PCB 设计要求不高,就用细一点的线,自动布吧。

    点评:自动布线必然要占用更大的PCB 面积,同时产生比手动布线多好多倍的过孔,在批量很大的产品中,PCB 厂家降价所考虑的因素除了商务因素外,就是线宽和过孔数量,它们分别影响到PCB 的成品率和钻头的消耗数量,节约了供应商的成本,也就给降价找到了理由。

误区二:

    这些总线信号都用电阻拉一下,感觉放心些。

    点评:信号需要上下拉的原因很多,但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号,电流也就几十微安以下,但拉一个被驱动了的信号,其电流将达毫安级,现在的系统常常是地址数据各32位,可能还有244/245 隔离后的总线及其它信号,都上拉的话,几瓦的功耗就耗在这些电阻上了。

误区三:

    CPU 和FPGA的这些不用的I/O 口怎么处理呢?先让它空着吧,以后再说。

点评:不用的I/O 口如果悬空的话,受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号了,而MOS 器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。

    如果把它上拉的话,每个引脚也会有微安级的电流,所以最好的办法是设成输出(当然外面不能接其它有驱动的信号)。

误区四:

    这款FPGA还剩这么多门用不完,可尽情发挥吧。

    点评:FGPA的功耗与被使用的触发器数量及其翻转次数成正比,所以同一型号的FPGA在不同电路不同时刻的功耗可能相差100 倍。尽量减少高速翻转的触发器数量是降低FPGA功耗的根本方法。

误区五:

    这些小芯片的功耗都很低,不用考虑。

    点评:对于内部不太复杂的芯片功耗是很难确定的,它主要由引脚上的电流确定,一个ABT16244,没有负载的话耗电大概不到1毫安,但它的指标是每个脚可驱动60毫安的负载(如匹配几十欧姆的电阻),即满负荷的功耗最大可达60*16=960mA ,当然只是电源电流这么大,热量都落到负载身上了。

误区六:

    存储器有这么多控制信号,我这块板子只需要用OE和WE信号就可以了,片选就接地吧,这样读操作时数据出来得快多了。

    点评:大部分存储器的功耗在片选有效时(不论OE和WE如何)将比片选无效时大100 倍以上,所以应尽可能使用CS来控制芯片,并且在满足其它要求的情况下尽可能缩短片选脉冲的宽度。

误区七:

    这些信号怎么都有过冲啊?只要匹配得好,就可消除了。

    点评:除了少数特定信号外,都是有过冲的,只要不是很大,并不一定都需要匹配,即使匹配也并非要匹配得最好。

    像TTL的输出阻抗不到50欧姆,有的甚至20欧姆,如果也用这么大的匹配电阻的话,那电流就非常大了,功耗是无法接受的。

    另外信号幅度也将小得不能用,再说一般信号在输出高电平和输出低电平时的输出阻抗并不相同,也没办法做到完全匹配。

    所以对TTL、LVDS、422等信号的匹配只要做到过冲可以接受即可。

误区八:

    降低功耗都是硬件人员的事,与软件没关系。

    点评:硬件只是搭个舞台,唱戏的却是软件,总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多都由软件控制的。

    如果软件能减少外存的访问次数(多使用寄存器变量、多使用内部CACHE等等)、及时响应中断(中断往往是低电平有效并带有上拉电阻)及其它争对具体单板的特定措施都将对降低功耗作出很大的贡献。

误区九:

    CPU用大一点的CACHE ,就应该快了。

    点评:CACHE 的增大,并不一定就导致系统性能的提高,在某些情况下关闭CACHE 反而比使用CACHE 还快。原因是搬到CACHE 中的数据必须得到多次重复使用才会提高系统效率。

    所以在通信系统中一般只打开指令CACHE ,数据CACHE 即使打开也只局限在部分存储空间,如堆栈部分。

    同时也要求程序设计要兼顾CACHE 的容量及块大小,这涉及到关键代码循环体的长度及跳转范围,如果一个循环刚好比CACHE 大那么一点点,又在反复循环的话,那就惨了。

误区十:

    存储器接口的时序都是厂家默认的配置,不用修改的。

    点评:BSP 对存储器接口设置的默认值都是按最保守的参数设置的,在实际应用中应结合总线工作频率和等待周期等参数进行合理调配。

    有时把频率降低反而可提高效率,如RAM 的存取周期是70ns,总线频率为40M 时,设3 个周期的存取时间,即75ns即可;若总线频率为50M 时,必须设为4 个周期,实际存取时间却放慢到了80ns。

误区十一:

    这个CPU 带有DMA 模块,用它来搬数据肯定快。

    点评:真正的DMA 是由硬件抢占总线后同时启动两端设备,在一个周期内这边读,那边写。但很多嵌入CPU 内的DMA 只是模拟而已,启动每一次DMA 之前要做不少准备工作(设起始地址和长度等)。

    在传输时往往是先读到芯片内暂存,然后再写出去,即搬一次数据需两个时钟周期,比软件来搬要快一些(不需要取指令,没有循环跳转等额外工作),但如果一次只搬几个字节,还要做一堆准备工作,一般还涉及函数调用,效率并不高。所以这种DMA 只对大数据块才适用。

误区十二:

    100M的数据总线应该算高频信号,至于这个时钟信号频率才8K,问题不大。

    点评:数据总线的值一般是由控制信号或时钟信号的某个边沿来采样的,只要针对这个边沿保持足够的建立时间和保持时间即可,此范围之外有干扰也罢过冲也罢都不会有多大影响(当然过冲最好不要超过芯片所能承受的最大电压值)。

    但时钟信号不管频率多低(其实频谱范围是很宽的),它的边沿才是关键的,必须保证其单调性,并且跳变时间需在一定范围内。

误区十三:

    既然是数字信号,边沿当然是越陡越好。

    点评:边沿越陡其频谱范围就越宽,高频部分的能量就越大;频率越高的信号就越容易辐射,也就越容易干扰别的信号,而自身在导线上的传输质量却变得越差,因此能用低速芯片的尽量使用低速芯片。

误区十四:

    信号匹配真麻烦,如何才能匹配好呢?

    点评:总的原则是当信号在导线上的传输时间超过其跳变时间时,信号的反射问题才显得重要。

    信号产生反射的原因是线路阻抗的不均匀造成的,匹配的目的就是为了使驱动端、负载端及传输线的阻抗变得接近。

    但能否匹配得好,与信号线在PCB 上的拓扑结构也有很大关系,传输线上的一条分支、一个过孔、一个拐角、一个接插件、不同位置与地线距离的改变等都将使阻抗产生变化。

    而且这些因素将使反射波形变得异常复杂,很难匹配,因此高速信号仅使用点到点的方式,尽可能地减少过孔、拐角等问题。

五、复位电路~很多的门道

复位电路概述

复位信号在数字电路里面的重要性仅次于时钟信号。对电路的复位往往是指对触发器的复位,也就是说电路的复位中的这个“电路”,往往是指触发器,这是需要注意的。

有的电路需要复位信号,就像是有的电路需要时钟信号那样,而有的电路是不需要复位信号的。

复位又分为同步复位和异步复位,这两种各有优缺点。

下面我们主要来说说复位信号的用途和不需要复位信号的情况。

(1)复位的目的

复位最基本的目的就是使电路(主要是触发器)进入一个能稳定操作的确定状态(主要是触发器在在某个确定的状态),主要表现为下面两点:

①使电路在复位后从确定的初始状态运行:

● 上电的时候,为了避免上电后进入随机状态而使电路紊乱,这个时候你就需要上电复位了。

● 有时候,电路在某个状态下,你想或者别人要求你从电路的初始状态开始进行延时你的电路功能,这个时候你就要对你的电路进行复位,让它从最初的状态开始运行。

②使电路从错误状态回到可以控制的确定状态:

有的时候,你的电路发生了异常,比如说状态机跑飞了、系统供电炸了之类的,总之就是电路运行得不正常了,这个时候你就要对电路进行复位,让它从错误的状态回到一个正常的状态。

上面说的都是和实际电路有关的,下面我们就从电路仿真的角度看一下复位信号的重要性。

● 仿真的要求

复位信号在仿真里面主要是使电路仿真时具有可知的初始值:

在仿真的时候,信号在初始状态是未知状态(也就是所谓的x,不过对信号初始化之后的这种情况除外,因为仿真的时候对信号初始化就使信号有了初始值,这就不是x了)。

对于数据通路(数字系统一般分为数据通路和控制通路,数据通路一般是对输入的数据进行处理,控制通路则是对运行的情况进行操作),在实际电路中,只要输入是有效数据(开始的时候可能不是有效的),输出后的状态也是确定的;在仿真的时候,也是输入数据有效了,输出也就确定了。也就是说,初始不定态对数据通路的影响不明显。

对于控制通路,在实际电路中,只要控制通路完备(比如说控制通路的状态机是完备的),即使初始状态即使是不定态,在经过一定的循环后,还是能回到正确的状态上;然而在仿真的时候就不行了,仿真的时候由于初始状态为未知态,控制电路一开始就陷入了未知态;仿真跟实际电路不同,仿真是“串行”的,仿真时控制信号的初始不定态会导致后续的控制信号结果都是不定态,也就是说,初始的不定态对控制通道是致命的。

(2)不需要复位信号的一些情况

复位信号很重要,但是并不是每一部分的电路都需要复位电路,一方面是复位电路也消耗逻辑资源、占用芯片面积,另一方面是复位信号会增加电路设计的复杂性(比如要考虑复位的策略、复位的布局布线等等)。

当某个电路的输出在任何时刻都可以不受到复位信号的控制就有正确的值时,比如说数据通路中的对数据进行处理的部分。

在某些情况下,当流水线的寄存器(移位寄存触发器)在高速应用中时,应该去掉某些寄存器的复位信号以使设计达到更高的性能,因为带复位的触发器比不带复位的触发器更复杂,反应也更慢。

对复位信号/电路有一定的概念后,下面我们就来说说复位的方式,也就是同步电路和异步电路以及它们的优缺点

同步复位

(1)同步复位电路

同步复位是指复位信号在时钟有效沿到来时才复位电路(主要是复位触发器)。

因此同步复位的复位信号受到时钟信号的控制。同步复位的触发器RTL代码和电路如下所示:

上面的电路在FPGA中容易综合得到;也有可能综合得到下面这样的电路:

(2)同步复位的优点

①首先同步复位一般能确保电路是100%同步的,因为电路都是由同步时钟触发。

②同步复位会综合为更小的触发器(更小??感觉有点不太对,可能FPGA跟ASIC不一样吧?)。从前面电路中我们也可以看到,复位电路仅仅是由一个普通的触发器和一个与门构成。

③由于同步复位仅仅发生在时钟的有效沿,当外部的复位信号有毛刺时,时钟可以当做过滤毛刺的手段,也就是说同步复位受到复位信号的毛刺影响小。

④当复位信号是由内部电路产生时,此时复位信号就有可能有毛刺,时钟就可以过滤毛刺。也就是说,可以在那些使用内部信号当做复位信号的设计中,使用同步复位。

(3)同步复位的缺点

①使用同步复位可能使综合工具无法分辨分辨复位信号和其他控制信号,导致进行复位的控制逻辑远离触发器(也就是说,并不是所以的ASIC库都有内置的同步复位逻辑,综合工具可能把符合逻辑综合到触发器自身之外)。

例如对于带同步复位和加载使能的触发器,代码如下所示:

综合得到的电路图如下所示,左边是理想的电路,右边是可能综合出的电路:

这两个电路的功能完全一样,只不过右边电路的复位控制逻辑(即复位与门)在多路复用器之外,也就是远离了触发器。

解决方法就是:一方面这个只是综合工具的问题,一般综合工具会自动识别在敏感列表里面又在条件表达式信号中的第一个信号为复位信号;另一方面,可以在RTL代码编写的时候,加入相关的综合指令,让综合的时候把复位逻辑靠近触发器。

②由于同步复位需要在时钟沿的触发下才能起作用,复位信号是以短脉冲的方式出现时,时钟沿就有可能错失这个复位信号,导致复位脉冲丢失,同步复位电路没有起到作用,时序图如下所示:

解决办法:一方面,可以采用脉冲捕捉电路,这个电路在我的跨时钟域控制信号传输中有讲到。

另一方面,可以将复位信号进行脉冲扩展,维持足够长的时间,这个可以通过一个小的计数器实现,如下图所示:

③同步复位可能有组合逻辑延时,当复位逻辑距离触发器比较远时,这个时候就不能把触发器当做即时响应复位信号的触发器,而是有一定延时的触发器,这个时候就有了复位信号偏移的问题,关于复位信号偏移的描述,我们将在异步复位中进行描述。

解决方法:使用内置的同步复位触发器;综合的时候加入相关的综合指令,这个和①类似。

④我们前面说过,在由内部组合逻辑的产生复位信号的设计中,推荐使用同步复位。其实这也是有缺点的,这是因为这样产生复位信号的组合逻辑一方面在仿真的时候容易出现x态,另一方面在实际电路中,这样的复位信号容易被外部(多个)信号影响。

解决方法:不建议使用内部产生的复位信号;使用异步复位。

⑤门控时钟的同步复位可能无效:使用门控时钟的时候,由于复位信号依赖于时钟,在复位信号发出的时候,时钟可能关闭了。

这个时候就会导致实际的电路没有被复位,如下图所示:

解决方法:只能使用异步复位,并在时钟恢复前移除异步复位。

⑥总线设计中的同步复位问题:

在总线控制中,系统上电复位的时候,我们要求不同芯片之间的总线工作在合理的状态上(比如处于高阻态或者输出);然而上电之后,由于系统时钟可能仍未正常工作,上电(同步)复位就可能无效,这个时候各个模块(芯片)就可能不会把总线接口设置为特定的状态,(当多个模块同时输出数据到总线上时)就可能导致电平冲突,严重的话会烧坏接口。

解决办法:为了防止芯片上电时内部总线出现竞争,有两种解决办法,一种是采用异步上电复位,如下图所示:

这个时候使用了异步复位,使能信号oe输出0,也就是有了初始的状态

另一种方法是使用复位信号能直接撤销三态使能的电路,如下所示:

从电路图中可以看到复位信号一方面控制了复位逻辑,另一方面控制了三态的使能端;这种技术简化了复位-高阻这个条路径的时序分析。

异步复位

(1)异步复位电路

异步复位触发器则是在设计触发器的时候加入了一个复位引脚,也就是说复位逻辑集成在触发器里面。

(一般情况下)低电平的复位信号到达触发器的复位端时,触发器进入复位状态,直到复位信号撤离。带异步复位的触发器电路图和RTL代码如下所示:

(2)异步复位的优点

①使用异步复位的最大好处就是复位路径上没有延时,如上面的图所示,复位信号一直连接到触发器的复位端口,而不是像同步复位那样需要经过一个复位控制逻辑(如与门)。这样子就减少了外界信号的影响。

②与时钟没有关系,不管时钟上升沿有没有到来,只要复位信号一有效,触发器就会复位,也就是基本上做到实时性;由于与时钟没有关系,因此也可以用在门控时钟里面。

③综合工具能自动推断出异步复位而不必加入任何综合指令。

(3)异步复位的缺点

①复位撤离问题

在介绍复位撤离问题之前,先说一下复位恢复时间和去除时间。所谓的复位恢复时间是指撤离一个复位信号时,复位信号从有效跳变为无效的时刻与下一个有效时钟沿之间的这段时间;去除时间是指撤离一个复位信号时,复位信号从有效跳变为无效的时刻  与上一个有效时钟沿之间的这段时间(可以类比于触发器的建立时间和保持时间)。如下图所示:

上图中,rst_n1是要求的复位恢复时间,rst_n2满足复位恢复时间,rst_n3复位恢复时间不足。

上图中,rst_nA是要求的复位去除时间,rst_n2满足复位去除时间,rst_n3复位去除时间不足。

从上面的两个图中可以知道,如果你想让某个时钟沿起作用(也就是采数据),那么你就应该在“恢复时间”之前让异步控制信号变无效;如果你想让某个时钟沿不起作用(也就是在这个时钟沿依旧复位),那么你就应该在“去除时间”过后使控制信号变无效。

异步复位信号的恢复和去除时间需要大于一定的时间,如果你的异步复位信号在这两种情况之间(撤离),那么就没法确定时钟沿是否起作用了,即判断不出是复位还是不复位(不复位即是D触发器才输入端的数据)。

介绍了复位恢复时间和去除时间之后,我们就可以看看异步复位信号的问题了。由于异步复位信号与系统时钟毫无关系,复位可以在随时施加,也可以随时撤离。在施加的时候复位信号的时候,不存在任何问题,因为这跟复位恢复时间扯不上关系。

但是,在撤离复位信号的情况下就有问题了,主要有两个问题:

● 当异步复位信号的撤离时刻在时钟有有效沿附近时,就可能导致恢复时间或去除时间不足,即这个时候违背了复位恢复时间或去除时间,这时就可能导致触发器的输出端为亚稳态(注意是可能),如下所示:

但是并不是所有情况都会产生亚稳态,当复位值和此时的的输出相同时,就不会产生亚稳态,如下图所示:

这是因为:复位信号翻转的时候,如果复位信号判断是低电平,输出就复位即一定是低电平;

如果判断复位信号是高电平,输出信号就等于对输入信号的采样值。图里面输入信号就是低电平,不管你是复位还是不复位,输出一直是低电平,没有亚稳态。

● 复位状态不一致的问题:

复位信号很时钟信号一样,复位通过复位网络到达各个触发器。一方面,复位网络具有非常大的扇出和负载,到达不同的触发器存在不同的延时,也就是存在复位偏移,因此撤离异步复位的时刻也是不一样的;

另一方面,由于时钟网络也存在时钟偏移。这个时候异步复位信号就有可能在不同的触发器的不同时钟周期内进行撤离,也就是说异步复位的信号不一致,如下图所示:

异步复位信号a是异步复位信号源,异步复位信号b、c、d是到达触发器的异步信号。

我们可以看到,b信号是在本周期就撤离了复位;c信号则由于复位恢复时间不满足,则可能导致触发器输出亚稳态:而d信号则由于延时太长(但是满足了复位去除时间),在下一个周期才撤离复位。

撤离问题的解决方法:异步复位的同步释放

异步复位的同步释放电路也称为复位同步器,这个方法是将外部输入的异步复位信号进行处理,产生另外一个适合用于后面电路的复位信号,这个处理后的复位信号能够异步复位电路中的触发器,又不会存在撤离问题(因为经过了同步);这个异步复位同步释放的处理电路和RTL代码如下所示:

从图中可以看到,这是用外部异步复位信号来复位一对触发器,这对触发器异步地驱动主复位信号,也就是这对触发器产生电路需要的复位信号,这些复位信号再到达各个触发器,然后进行复位。

理想的异步复位同步释放的时序如下所示:

上图中,在理想的情况下,复位信号在两级D触发器上面的撤离时间可能不一样,这个和复位信号传输到的触发器位置和触发器的时钟沿有关。理想情况下的复位信号传输到目标触发器都能够同时撤离,并且不在时钟有效沿附近。

实际情况一般不是那么理想的,当不是理想的情况下,也就是说复位信号到达目标寄存器存在时钟偏移,并且复位信号有可能在时钟有效沿附近撤离,这个时候复位器出现的问题就有三种:第一级OK,第二级出现问题;第一级出现问题,第二级OK;两级都出现问题。

下面我们就来看看这三种情况下产生的复位信号是什么情况:

第一级的撤离没有问题,第二级的撤离出现在时钟的有效沿附近,也就是说第二级的D触发器的撤离时间不满足复位恢复时间或者去除时间,这时候的时序图如下所示:

我们可以看到无论是触发器判断此刻是复位还是不复位,输出都是一样的,也就是说,输出rst_n不是亚稳态,而是确定的值。

第一级的撤离出现问题,第二级的撤离没有问题,这时候的时序图如下所示:

我们可以看到,第一级触发器虽然产生了亚稳态,但是由于第二级触发器的存在,亚稳态并没有传播下去,得到的复位信号依然是干净的,只不过这个复位信号可能延长多一个周期而已(这是因为亚稳态稳定后的可能态引起的)。

最极端的一种情况是,两级的撤离都不满足复位恢复时间或者去除时间,这时候的时序图如下所示:

我们可以看到第一级触发器产生了亚稳态,但是由于第二级触发器的存在,亚稳态没有传播下去;虽然第二级触发器的复位信号撤离也在时钟有效沿附近,但是跟第一种情况一样,第二级触发器是不会产生亚稳态的。因此即使是极端状态,输出的复位信号也是干净的。

由此我们可以看到,异步复位的同步撤离能够有效地解决撤离导致的复位恢复时间或者去除时间不足的问题,同时把复位信号同步化,解决了复位撤离偏移的问题。

②异步复位的抖动问题

当外部输入的异步复位信号产生毛刺时,任何满足触发器最小复位脉冲宽度的输入都有可能引起触发器复位,这问题是源头上的问题,即使是使用上面的同步器,也还是有同样的敏感问题,时序图如下所示:

解决方法:一个是使用同步复位,另一个就是过滤毛刺了,过滤毛刺和消抖的思路有点像,主要就是经过一段延时之后,在经过逻辑门判断产生外部来的是不是真正复位信号,加上过滤毛刺信号部分的同步撤离电路和时序如下所示:

在上图中,我们可以看到,抖动问题得到了解决。然而这种方法还是有缺点的,主要就是这个延时电路的延时控制可能随着环境而变化,而且延时的时间要合适长才行,绝对不能太短。

③DFT的问题

在DFT的时候,如果异步复位信号不能直接被I/O引脚驱动,就必须将异步复位线和后面的的被驱动电路断开,用来保证DFT扫描和测试能够正确进行。总之异步复位增加了DFT的复杂性。

复位策略——复位网络

在数字电路里面,复位信号驱动了很多触发器,仅次于时钟,因此复位也往往形成或者使用复位网络。

复位网络的设计也是有值得斟酌的地方,例如,由于复位的扇出太大,全部的复位不能仅仅由一个端口驱动,也就是不能像下面一样:

既然上面的不行,那就改成下面的呗,也就是使用多各“并联”的同步释放,分担一下负载压力:

然而这种方案还是有问题的,这是第一级的撤离出现问题,第二级的撤离没有问题的时候,亚稳态稳定后的状态可能不一样,导致rst_n的复位不一致,有的复位可能会快/慢一个周期。

最后的方案是,先进行同步释放之后,同步后的复位信号又当做各个部分的异步信号,然后进行同步释放,如下所示:

这样先经过前级的同步释放之后,就不存在亚稳态稳定好导致的输出rst_n不一致的问题了。

最后说一下多时钟域的复位:在多时钟域复位中,外部的异步复位信号的同步释放应该各自的时钟进行同步,比如异步FIFO中,写时钟域就用写时钟进行同步释放;读时钟域就用读时钟进行同步释放。

六、DC-DC电路的技巧

概念及特点

1 概念

    DC-DC指直流转直流电源(Direct Current)。是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。如,通过一个转换器能将一个直流电压(5.0V)转换成其他的直流电压(1.5V或12.0V),我们称这个转换器为DC-DC转换器,或称之为开关电源或开关调整器。

    DC-DC转换器一般由控制芯片,电感线圈,二极管,三极管,电容器构成,相x关视频点击此处:老外教你DC-DC,做一个开关电源。在讨论DC-DC转换器的性能时,如果单针对控制芯片,是不能判断其优劣的。其外围电路的元器件特性,和基板的布线方式等,能改变电源电路的性能,因此,应进行综合判断。

    DC-DC转换器的使用有利于简化电源电路设计,缩短研制周期,实现最佳指标等,被广泛用于电力电子、军工、科研、工控设备、通讯设备、仪器仪表、交换设备、接入设备、移动通讯、路由器等通信领域和工业控制、汽车电子、航空航天等领域。具有可靠性高、系统升级容易等特点,电源模块的应用越来越广泛。此外,DC-DC转换器还广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。在电路类型分类上属于斩波电路。

2 特点

    其主要特点是效率高:与线性稳压器的LDO相比较,效率高是DCDC的显著优势。通常效率在70%以上,效率高的可达到95%以上。其次是适应电压范围宽。

A: 调制方式

1: PFM(脉冲频率调制方式)

    开关脉冲宽度一定,通过改变脉冲输出的频率,使输出电压达到稳定。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。

2: PWM(脉冲宽度调制方式)

    开关脉冲的频率一定,通过改变脉冲输出宽度,使输出电压达到稳定。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。

B: 通常情况下,采用PFM和PWM这两种不同调制方式的DC-DC转换器的性能不同点如下:

    PWM的频率,PFM的占空比的选择方法。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。

架构分类

1 常见的三种原理架构

A、 Buck(降压型DC/DC转换器)。

B、Boost(升压型DC/DC转换器)

C、Buck-Boost(升降压型DC/DC转换器)

2 Buck电路工作原理详解

    伏秒平衡原则:处于稳定状态的电感,电感两端的正伏秒积等于负伏秒积,即:电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。

    当开关导通时:输入电压Vin加到LC滤波器的输入端,电感上的电流以固定斜率线性上升,如下图。

    当开关关断时:由于电感上的电流不能突变,电感中存储的能量向负载释放,电感电流通过二极管续流 ,在这个阶段,电流波形是一条斜率为负的斜线,如下图。

设计技巧及主要技术参数选用要求

    DC-DC电路设计至少要考虑以下条件:

  • 外部输入电源电压的范围,输出电流的大小。
  • DC-DC输出的电压,电流,系统的功率最大值。

1 输人/输出电压

    要按照器件的推荐工作电压范围选用,并且要考虑实际电压的波动范围,确保不能超出器件规格。

2 输出电流

    器件持续的输出电流能力是一个重要的参数,选用时要参考此参数,并要保留一定的余量。

    此参数的选取还要评估电路的瞬间峰值电流和发热的情况,综合来确定,并满足降额要求。

3 纹波

    纹波是衡量电路的输出电压波动的重要参数。要关注轻载和重载纹波,一般轻载纹波要大。注意核电等场合下轻载纹波是否会超出要求。实际测试下各种场景负载下的情况。通常选用示波器20M带宽来测试。

4 效率

    要同时关注轻载和重载两种情况。轻载会影响待机功率,重载影响温升。通常看12V输入,5V输出下10mA的效率,一般要80%以上。

5 瞬态响应 

    瞬态响应特性反应负载剧烈变化时系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。要求输出电压波动越小越好,一般按峰峰值10%以下要求。

    实际要注意按推荐值选用反馈电容。常见取值在22p到120pF。

6 开关频率

    常用的开关频率多数在500kHz以上。较高的开关频率1.2M到2M的也有,由于频率高开关损耗增加IC散热设计要好,故主要集中在5V低压输入小电流的产品。开关频率关系到电感电容的选用,其它如EMC,轻载下噪音等问题也与之有关。

7 反馈参考电压及精度

    反馈电压要与内部的参考电压相比较,配合外部的反馈分压电阻,输出不同电压。不同产品的参考电压会有不同,如0.6~0.8V,替换时注意调整反馈电阻。

    反馈电阻要选用1%精度,只要根据厂家推荐来选,一般不要选的过大,以免影响稳定性。

    参考电压精度影响输出准确度,常见精度在2%以下,如1%~1.5%,精度高的产品成本会有差别。根据需要选择。

8 线性稳定度和负载稳定度

    线性稳定度反应输入电压变化输出电压稳定性。负载稳定度反应输出负载变化输出电压稳定性。一般要求1%,最大不要超3%。

9 EN电平

    EN高低电平要满足器件规格要求,有些IC不能超出特定电压范围;电阻分压时注意满足及时关断,并且考虑电压波动最大范围内要满足。

    由于时序控制的需要,该引脚会增加电容,为了电平调节和关断放电,同时要有对地电阻。

10 保护性能

    要有过流保护OCP,过热保护OTP等,并且保护后条件消失能自恢复。

11 其它

    要求有软启动;热阻和封装;使用温度范围要能覆盖高低温等。

器件选型一般原则

  • 普遍性
  • 高性价比
  • 易采购生命周期长
  • 兼容和可替代
  • 资源节约
  • 降额
  • 易生产和归一化

外围器件选择的要求

1 输入电容

    要满足耐压和输入纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍以上输 入电压。注意瓷片电容的实际容量会随直流电压的偏置影响而减少。

2 输出电容

    要满足耐压和输出纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍,纹波和电容的关系:

3 BST电容

    按照规格书推荐值。一般0.1uF-1uF。耐压一般要高于输入电压。

4 电感

    不同输出电压的要求感量不同;注意温升和饱和电流要满足余量要求,一般最大电流的1.2倍以上(或者电感的饱和电流必须大于最大输出电流+0.5*电感纹波电流)。通常选择合适的电感值L,使ΔIL占输出电流的30% to 50%。计算公式:

5 VCC电容

    按规格书 要求取值,不能减小,也不要太大,注意耐压。

6 反馈电容

    按规格书 要求取值,不同厂家芯片取值不同,输出电压不同也会有不同的要求。

7 反馈电阻和EN分压电阻

    要求按规格书取值,精度1%。

PCB设计要求

  • 输入电容就近放在芯片的输入Vin和功率的PGND,减少寄生电感的存在,因为输入电流不连续,寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响 。电容地端增加过孔,减少阻抗。
  • 功率回路尽可能的短粗,保持较小的环路面积,较少噪声辐射。SW是噪声源,保证电流的同时保持尽量小的面积,远离敏感的易受干扰的位置。如,电感靠近SW引脚,远离反馈线。输出电容靠近电感,地端增加地过孔。
  • VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间,尽量在一层,不要有过孔。
  • FB是芯片最敏感,最容易受干扰的部分,是引起系统不稳定的最常见原因 。
    1)FB电阻连接到FB管脚竟可能短,靠近IC放置,减少噪声的耦合;FB下分压电阻通常接信号地AGND;
    2)远离噪声源,SW点,电感,二极管(非同步buck);FB走线包地;
    3)大电流负载的FB在负载远端取,反馈电容走线要就近取。
  • BST的电容走线尽量短,不要太细。
  • 芯片散热要按设计要求,尽量在底下增加过孔散热。

七、BUCK电路

Buck电路原理图 Buck电路,又称降压电路,其基本特征是DC-DC转换电路,输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的,输出电流为连续的。

    Q1为三极管开关,PWM波控制。Buck电路工作原理    当PWM波为高电平时,Q1导通,储能电感L1被充磁,流经电感的电流线性增加,同时给电容C1充电,给负载R1提供能量。等效电路如图

    当PWM波为低电平时,Q1关闭,储能电感L1通过续流二极管放电,电感电流线性减少,输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持,等效电路如图。

CCM及DCM定义

    CCM (Continuous Conduction Mode),连续导通模式:在一个开关周期内,电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。

    DCM,(Discontinuous Conduction Mode),断续导通模式:在开关周期内,电感电流总会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。

    BCM(Boundary Conduction Mode),临界导通模式:控制器监控电感电流,一旦检测到电流等于0,功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高,而截至斜坡相当平,则开关周期延长,因此,BCM变化器是可变频率系统。

    电流斜坡的中点幅值等于直流输出电流Io的平均值,峰值电流Ip与谷值电流Iv之差为纹波电流。

八、电感器的重要作用与特性

电感器俗称电感,本质上是一个线圈,有空心线圈也有实心线圈,实心线圈有铁芯或者其它材料制成的芯,电感的单位是“H”,简称“亨”。此外,更小的单位是mH,uH,换算方式为1H=1000mH=1000000uH。

电感的常见作用 

阻交通直

    对于直流电,电感是相当于短路的;而对于交流电,电感是对其有阻碍作用的,交流电的频率越高,电感对它的阻碍作用越大。

变压器

    对我们来说最熟悉的电感应用莫过于变压器了,如下图所示为变压器的电路符号。假如左侧线圈匝数为100,右侧匝数为50,如果左侧接220V交流电,那么右侧感应出来的电压为110V,即“匝数比=电压比”而电流却会截然相反;如果左侧流进1A电流,那么右侧会流出2A的电流,即“匝数比=电流的反比”,因为电感只会对电压、电流进行变化,而不能对功率进行变化,如果电压和电流都为正比显然是不合情理的。相x关视频推荐:老外制作6V至30000V变压器全过程,看后你觉得靠谱吗?

RL低通滤波器

    所谓低通滤波器是:低频信号可以通过,而高频信号不能通过,电路原理图如下图。输入信号如果是直流电,那么电感相当于一根导线;现在是短路,信号会经过电感,直接输出,而不经过电阻。如果我们逐渐升高电流的频率,由于电感对交流电有阻碍作用,通过电感的信号会慢慢变小,直到达到某一个频率,当高于这个频率之后的电流再也无法通过,这时候就形成了低通滤波器,这个频率就叫做截止频率,公式为 f=R/(2πL)。

RL高通滤波器

    高通滤波器的道理和低通的类似,只不过电阻和电感的位置变了,如下图。如果是直流电,会经过电感流回去,这时候如果改变频率,当频率逐渐升高,由于电感对交流电的阻碍作用,当频率达到截止频率时,高频信号不经过电感,而直接把我们需要的高频信号输出。截止频率的计算也是 f=R/(2πL)。

    以上列举了一些常用的电感应用,当然电感的作用远远不止这些,以上讲的都是基础,应用的时候考虑的远比以上所说的要多。

十种电感的特性 

工字型电感

    它的前身是挠线式贴片电感,工字型电感是它们的改良,挡板有效加强储能能力,改变EMI方向和大小,亦可降低RDC。它可以说是讯号通讯电感跟POWER电感的一种妥协。

    贴片式的工字型电感主要用于几百kHz至一两MHz的较小型电源切换,如数字相机的LED升压、ADSL等较低频部份的讯号处理或POWER用途。它的Q值有20、30,做为讯号处理颇为适合。RDC比挠线式贴片电感低,作为POWER也是十分好用。当然,很大颗的工字型电感,那肯定是POWER用途了。

    工字型电感最大的缺点仍是开磁路,有EMI的问题;另外,噪音的问题比挠线式贴片电感大。

色环电感

    色环电感是最简单的棒形电感的加工,主要是用作讯号处理。本身跟棒形电感的特性没有很大的差别,只是多了一些固定物,和加上一些颜色方便分辨感值。因单价算是十分便宜,现时比较不注重体积,以及仍可用插件的电子产品,使用色环电感仍多。

空芯电感

    空心电感主要是讯号处理用途,用作共振、接收、发射等。空气可应用在甚高频的产品,故此很多变异要求不太高的产品仍在使用。因为空气不是固定线圈的最佳材料,故此在要求越来越严格的产品趋势上,发展有限。

环形线圈电感

    环形线圈电感,是电感理论中很理想的形状。闭磁路,很少EMI的问题,充分利用磁路,容易计算,几乎理论上的好处,全归环形线圈电感。可是,有一个最大的缺点,就是不好挠线,制程多用人工处理。线圈应用的相x关视频推荐:如何制作一个特斯拉线圈。

    环形线圈电感最大量的,是用铁粉芯作材料跟树脂等混在一起,使得Air gap均匀分布在铁粉芯内部。

    铁粉芯环形线圈电感的优点是环形,但缺点亦是环形。我前面曾说,使用者最喜欢的形状是方形,故此在妥协下环形线圈电感并不是最具优势。

贴片迭层高频电感

    贴片迭层高频电感,其实就是空心电感。特性完全相同,不过因为容易固定,可以小型化。

    贴片迭层高频电感跟空心电感比较,因为空气不是好的固定物,但空气的相对导磁率是一,在高频很好用,因此找一些相对导磁率是一,又是很好的固定物,那不是很好。

贴片迭层高频电感跟贴片挠线式高频电感的比较,贴片迭层高频电感的Q值不够高是最大的缺点,。

磁棒电感

    磁棒电感是空心电感的加强,电感值跟导磁率成正比,塞磁性材料进空心线圈,电感值、Q值等都会大为增加。好处,就自己想象了。如果想不通,或者不想思考,要早点改行喔。磁棒电感是最简单、最基本的电感;30年到100年前,电感有什么应用,它就有什么应用,特性亦是如此。

SMD贴片功率电感

    SMD贴片功率电感最主要是强调储能能力,以及LOSS要少。

穿心磁珠

    穿心磁珠,就是阻抗器啦,电感是低通组件,可让低频通过,阻挡高频。

贴片磁珠

    贴片磁珠就是穿心磁珠的下一代。

贴片高频变压器、插件高频变压器

    高频变压器嘛,一般用于开关电源。

九、怎么维修无图纸PCB板

怎样维修无图纸电路板?

1.要“胸有成图”  

    要彻底弄懂一些典型电路的原理,烂熟于心。图纸是死的,脑袋里的思想是活的,可以类比,可以推理,可以举一反三,一通百通。

    比如开关电源,总离不开振荡电路、开关管、开关变压器这些,检查时要检查电路有没有起振,电容有没有损坏,各三极管、二极管有没有损坏,不管碰到什么开关电源,操作起来都差不多,不必强求有电路图﹔比如单片机系统,包括晶振、三总线(地址线、数据线、控制线)、输入输出接口芯片等,检修起来也都离不开这些范围﹔又如各种运算放大器组成的模拟电路,纵它变化万千,在“虚短”和“虚断”的基础上去推理,亦可有头有绪,条分缕析,弄个明明白白。练就了分析和推理的好功夫后,即使遇到从未见过的设备,也只要从原理上搞明白就可以了。 

2.要讲究检修先后顺序  

    讲究检修顺序才可找到解决问题的最短路径,避免乱捅乱拆,维修不成,反致故障扩大。维修就象医生给人看病,也讲究个“望闻问切”。“望”即检查故障板的外观,看上面有没有明显损坏的痕迹,有没有元件烧黑、炸裂,电路板有无受腐蚀引起的断线、漏电,电容有没有漏液,顶部有没有鼓起等;“闻”用鼻子嗅一嗅有没有东西烧焦的气味,这气味是从哪里发出的;“问”很重要,要详细地询问当事人,设备出故障当时的情况,从情况推理可能的故障部位或元件;“切”即动用一定的检测仪器和手段,分通电和不通电两种情况,检查电路部位或元件的阻值、电压、波形等,将好坏电路板对比测试,观察参数的差异等。 

    其实有很多故障你连万用表都没用上就解决了,电路图自然免了。 

3.要善于总节规律

    一般有一定的维修经验积累后,要善于总节分析每一次元件损坏的原因,是操作不当?欠缺维护?设计不合理?元件质量欠佳?自然老化?有了这些分析,下次再碰到同类故障,尽管不是相同的电路板,心里也就有了一点底。

4.要善于寻找资料  

    自从互联网出现以来,寻找资料变得非常容易。不明白的设备原理,不明白的电路原理,几乎都可以从网上找得到,什么IC资料都可以从网上找得到。

5.要有必要的检测设备 

    如果你将维修当成自己的一番事业,那么一定的设备投资是必要的。电烙铁、万用表、常用的拆装工具,牌子不要太差。有条件的话再弄一个100M的双踪示波器,再有条件的话,臵个在线维修测试仪。 

工控电路板电容损坏的故障特点及维修 

    电容损坏引发的故障在电子设备中是最高的,其中尤其以电解电容的损坏最为常见。 

    电容损坏表现为:

  • 容量变小
  • 完全失去容量
  • 漏电
  • 短路

    电容在电路中所起的作用不同,引起的故障也各有特点。在工控电路板中,数字电路占绝大多数,电容多用做电源滤波,用做信号耦合和振荡电路的电容较少。用在开关电源中的电解电容如果损坏,则开关电源可能不起振,没有电压输出;或者输出电压滤波不好,电路因电压不稳而发生逻辑混乱,表现为机器工作时好时坏或开不了机,如果电容并在数字电路的电源正负极之间,故障表现同上。这在电脑主板上表现尤其明显,很多电脑用了几年就出现有时开不了机,有时又可以开机的现象,打开机箱,往往可以看见有电解电容鼓包的现象,如果将电容拆下来量一下容量,发现比实际值要低很多。 

    电容的寿命与环境温度直接有关,环境温度越高,电容寿命越短。这个规律不但适用电解电容,也适用其它电容。所以在寻找故障电容时应重点检查和热源靠得比较近的电容,如散热片旁及大功率元器件旁的电容,离其越近,损坏的可能性就越大。

    有些电容漏电比较严重,用手指触摸时甚至会烫手,这种电容必须更换。 

    在检修时好时坏的故障时,排除了接触不良的可能性以外,一般大部分就是电容损坏引起的故障了。所以在碰到此类故障时,可以将电容重点检查一下,换掉电容后往往令人惊喜(当然也要注意电容的品质,要选择好一点的牌子,如红宝石、黑金刚之类)。 

电阻损坏的特点与判别  

    电阻是电器设备中数量最多的元件,但不是损坏率最高的元件。电阻损坏以开路最常见,阻值变大较少见,阻值变小十分少见。常见的有碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻和保险电阻几种。前两种电阻应用最广,其损坏的特点一是低阻值(100Ω以下)和高阻值(100kΩ以上)的损坏率较高,中间阻值(如几百欧到几十千欧)的极少损坏;二是低阻值电阻损坏时往往是烧焦发黑,很容易发现,而高阻值电阻损坏时很少有痕迹。线绕电阻一般用作大电流限流,阻值不大。圆柱形线绕电阻烧坏时有的会发黑或表面爆皮、裂纹,有的没有痕迹。水泥电阻是线绕电阻的一种,烧坏时可能会断裂,否则也没有可见痕迹。保险电阻烧坏时有的表面会炸掉一块皮,有的也没有什么痕迹,但绝不会烧焦发黑。根据以上特点,在检查电阻时可有所侧重,快速找出损坏的电阻。 

    根据以上列出的特点,我们先可以观察一下电路板上低阻值电阻有没有烧黑的痕迹,再根据电阻损坏时绝大多数开路或阻值变大以及高阻值电阻容易损坏的特点,我们就可以用万用表在电路板上先直接量高阻值的电阻两端的阻值,如果量得阻值比标称阻值大,则这个电阻肯定损坏(要注意等阻值显示稳定后才下结论,因为电路中有可能并联电容元件,有一个充放电过程),如果量得阻值比标称阻值小,则一般不用理会它。这样在电路板上每一个电阻都量一遍,即使“错杀”一千,也不会放过一个了。 

运算放大器的好坏判别方法 

    理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性,这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用,运放必须在闭环(负反馈)下工作。如果没有负反馈,开环放大下的运放成为一个比较器。如果要判断器件的好坏,先应分清楚器件在电路中是做放大器用还是做比较器用。

    从图上我们可以看出,不论是何类型的放大器,都有一个反馈电阻Rf,则我们在维修时可从电路上检查这个反馈电阻,用万用表检查输出端和反向输入端之间的阻值,如果大的离谱,如几MΩ以上,则我们大概可以肯定器件是做比较器用,如果此阻值较小0Ω至几十kΩ,则再查查有无电阻接在输出端和反向输入端之间,有的话定是做放大器用。 

    根据放大器虚短的原理,就是说如果这个运算放大器工作正常的话,其同向输入端和反向输入端电压必然相等,即使有差别也是mv级的,当然在某些高输入阻抗电路中,万用表的内阻会对电压测试有点影响,但一般也不会超过0.2V,如果有0.5V以上的差别,则放大器必坏无疑!

    如果器件是做比较器用,则允许同向输入端和反向输入端不等,  

    同向电压>反向电压,则输出电压接近正的最大值; 

    同向电压<反向电压,则输出电压接近0V或负的最大值(视乎双电源或单电源)。 

    如果检测到电压不符合这个规则,则器件必坏无疑! 这样你不必使用代换法,不必拆下电路板上的芯片就可以判断运算放大器的好坏了。 

万用表测试SMT元件的一个小窍门  

    有些贴片元件非常细小,用普通万用表表笔测试检修时很不方便,一是容易造成短路,二是对涂有绝缘涂层的电路板不便接触到元件管脚的金属部分。这里告诉大家一个简便方法,会给检测带来不少方便。 

    取两枚最小号的缝衣针,(深度工控维修技术专栏)将之与万用表笔靠紧,然后取一根多股电缆里的细铜线,用细铜线将表笔和缝衣针绑在一起,再用焊锡焊牢。这样用带有细小针尖的表笔去测那些SMT元件的时候就再无短路之虞,而且针尖可以刺破绝缘涂层,直捣关键部位,再也不必费神去刮那些膜膜了。

电路板公共电源短路故障的检修方法

    电路板维修中,如果碰到公共电源短路的故障往往头大,因为很多器件都共用同一电源,每一个用此电源的器件都有短路的嫌疑,如果板上元件不多,采用“锄大地”的方式终归可以找到短路点,如果元件太多,“锄大地”能不能锄到状况就要靠运气了。在此推荐一比较管用的方法,采用此法,事半功倍,往往能很快找到故障点。 

    要有一个电压电流皆可调的电源,电压0-30V,电流0-3A,此电源不贵,300元左右。将开路电压调到器件电源电压水平,先将电流调至最小,将此电压加在电路的电源电压点如74系列芯片的5V和0V端,视乎短路程度,慢慢将电流增大,用手摸器件,当摸到某个器件发热明显,这个往往就是损坏的元件,可将之取下进一步测量确认。当然操作时电压一定不能超过器件的工作电压,并且不能接反,否则会烧坏其它好的器件。 

一块小橡皮,解决大问题  

    工业控制用到的板卡越来越多,很多板卡采用金手指插入插槽的方式.由于工业现场环境恶劣,多尘、潮湿、多腐蚀气体的环境易使板卡产生接触不良故障,很多朋友可能通过更换板卡的方式解决了问题,但购买板卡的费用非常可观,尤其某些进口设备的板卡。其实大家不妨使用橡皮擦在金手指上反复擦几下,将金手指上的污物清理干净后,再试机,没准就解决了问题!方法简单又实用。

时好时坏电气故障的分析  

    各种时好时坏电气故障从概率大小来讲大概包括以下几种情况: 

1.接触不良 

    板卡与插槽接触不良、缆线内部折断时通时不通、线插头及接线端子接触不好、元器件虚焊等皆属此类; 

2.信号受干扰 

    对数字电路而言,在特定的情况条件下,故障才会呈现,有可能确实是干扰太大影响了控制系统使其出错,也有电路板个别元件参数或整体表现参数出现了变化,使抗干扰能力趋向临界点,从而出现故障; 

3.元器件热稳定性不好  
    从大量的维修实践来看,其中首推电解电容的热稳定性不好,其次是其它电容、三极管、二极管、IC、电阻等

4.电路板上有湿气、积尘等
    湿气和积尘会导电,具有电阻效应,而且在热胀冷缩的过程中阻值还会变化,这个电阻值会同其它元件有并联效果,这个效果比较强时就会改变电路参数,使故障发生; 

5.软件也是考虑因素之一 

    电路中许多参数使用软件来调整,某些参数的裕量调得太低,处于临界范围,当机器运行工况符合软件判定故障的理由时,那么报警就会出现。

十、如何利用PCB散热

对于电子设备来说,工作时都会产生一定的热量,从而使设备内部温度迅速上升,如果不及时将该热量散发出去,设备就会持续的升温,器件就会因过热而失效,电子设备的可靠性能就会下降。因此,对电路板进行很好的散热处理是非常重要的。

1 、加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔。

根据上图可以看到:连接铜皮的面积越大,结温越低

根据上图,可以看出,覆铜面积越大,结温越低。

2、热过孔

热过孔能有效的降低器件结温,提高单板厚度方向温度的均匀性,为在 PCB 背面采取其他散热方式提供了可能。通过仿真发现,与无热过孔相比,在器件热功耗为 2.5W 、间距 1mm 、中心设计 6x6 的热过孔能使结温降低 4.8°C 左右,而 PCB 的顶面与底面的温差由原来的 21°C 减低到 5°C 。热过孔阵列改为 4x4 后,器件的结温与 6x6 相比升高了 2.2°C ,值得关注。

 3、IC背面露铜,减小铜皮与空气之间的热阻

4、PCB布局

大功率、热敏器件的要求。

a、热敏感器件放置在冷风区。

b、温度检测器件放置在最热的位置。

c、同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游。

d、在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。

e、设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

f、对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。

g、将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘,除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件,且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。

h、元器件间距建议:

十一、27个模拟电路基础知识

01 基尔霍夫定理的内容是什么?

基尔霍夫电流定律:在电路任一节点,流入、流出该节点电流的代数和为零。

基尔霍夫电压定律:在电路中的任一闭合电路,电压的代数和为零。

02 戴维南定理

一个含独立源、线性电阻和受控源的二端电路 ,对其两个端子来说都可等效为一个理想电压源串联内阻的模型。

其理想电压源的数值为有源二端电路的两个端子的开路电压 ,串联的内阻为 内部所有独立源等于零时两端子间的等效电阻 。

03 三极管曲线特性

04 反馈电路的概念及应用

反馈,就是在电子系统中,把放大电路中的输出量(电流或电压)的一部分或全部,通过一定形式的反馈取样网络并以一定的方式作用到输入回路以影响放大电路输入量的过程。

反馈的类型有:电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。

负反馈对放大器性能有四种影响:

  • 提高放大倍数的稳定性,由于外界条件的变化(T℃,Vcc,器件老化等),放大倍数会变化,其相对变化量越小,则稳定性越高。
  • 减小非线性失真和噪声。
  • 改变了放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro。
  • 有效地扩展放大器的通频带。

电压负反馈的特点:电路的输出电压趋向于维持恒定。

电流负反馈的特点:电路的输出电流趋向于维持恒定。

引入负反馈的一般原则为:

  • 为了稳定放大电路的静态工作点,应引入直流负反馈;为了改善放大电路的动态性能,应引入交流负反馈(在中频段的极性)。
  • 信号源内阻较小或要求提高放大电路的输入电阻时,应引入串联负反馈;信号源内阻较大或要求降低输入电阻时,应引入并联系反馈。
  • 根据负载对放大电路输出电量或输出电阻的要求决定是引入电压还是电流负反馈,若负载要求提供稳定的信号电压或输出电阻要小,则应引入电压负反馈;若负载要求提供稳定的信号电流或输出电阻要大,则应引入电流负反馈。
  • 在需要进行信号变换时,应根据四种类型的负反馈放大电路的功能选择合适的组态。例如,要求实现电流——电压信号的转换时,应在放大电路中引入电压并联负反馈等。

05 有源滤波器和无源滤波器的区别

无源滤波器:这种电路主要有无源元件R、L和C组成。

有源滤波器:集成运放和R、C组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。

集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。

06 差模信号及共模信号

两个大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号,差动放大电路输入差模信号(uil =-ui2)时,称为差模输入

两个大小相等、极性相同的一对信号称为共模信号,差动放大电路输入共模信号(uil =ui2)时,称为共模输入

在差动放大器中,有用信号以差模形式输入,干扰信号用共模形式输入,那么干扰信号将被抑制的很小。

07 场效应和晶体管比较

  • 在环境条件变化大的场合,采用场效应管比较合适。
  • 场效应管常用来做前置放大器,以提高仪器设备的输入阻抗,降低噪声等。
  • 场效应管放大能力比晶体管低。
  • 工艺简单,占用芯片面积小,适宜大规模集成电路。在脉冲数字电路中获得更广泛的应用。

08 基本放大电路的组成原则

  • 发射结正偏,集电结反偏。
  • 输入回路的接法应该使输入信号尽量不损失地加载到放大器的输入端。
  • 输出回路的接法应该使输出信号尽可能地传送到负载上。

09 实现放大的条件

  • 晶体管必须偏置在放大区。发射结正偏,集电结反偏。
  • 正确设置静态工作点,使整个波形处于放大区。
  • 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。
  • 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压,经电容滤波只输出交流信号。

010 功放要求

  • 输出功率尽可能大
  • 高效率
  • 非线形失真小
  • 晶体管的散热和保护

011 频率补偿

所谓频率补偿,就是指提高或降低某一特定频率的信号的强度,用来弥补信号处理过程中产生的该频率的减弱或增强,常用的有负反馈补偿、发射极电容补偿、电感补偿等。

012 放大电路的频率补偿

放大电路中频率补偿的目的有二:一是改善放大电路的高频特性;二是克服由于引入负反馈而可能出现自激振荡现象,使放大器能够稳定工作。

在放大电路中,由于晶体管结电容的存在常常会使放大电路频率响应的高频段不理想,为了解决这一问题,常用的方法就是在电路中引入负反馈。

然后,负反馈的引入又引入新的问题,那就是负反馈电路会出现自激振荡现象,所以为了使放大电路能够正常稳定工作,必须对放大电路进行频率补偿。

频率补偿的方法可以分为超前补偿和滞后补偿,主要是通过接入一些阻容元件来改变放大电路的开环增益在高频段的相频特性,目前使用最多的就是锁相环。

013 基本放大电路

放大电路的作用:放大电路是电子技术中广泛使用的电路之一,其作用是将微弱的输入信号(电压、电流、功率)不失真地放大到负载所需要的数值。

放大电路种类:

  • 电压放大器:输入信号很小,要求获得不失真的较大的输出压,也称小信号放大器;
  • 功率放大器:输入信号较大,要求放大器输出足够的功率,也称大信号放大器。

差分电路是具有这样一种功能的电路,该电路的输入端是两个信号的输入,这两个信号的差值,为电路有效输入信号,电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。

设想这样一种情景,如果存在干扰信号会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差,干扰信号的有效输入为零,这就达到了抗共模干扰的目的。

014 甲类、乙类及甲乙类功放

015 试画出锁相环的方框图并简述原理

锁相:将相位锁住,把频率锁定在一个固定值上。

锁相环:将相位锁定的回路。

锁相环的组成:鉴相器PD + 分频器 + 回路滤波器LPF + 压控振荡器 VCO等。

锁相环的工作原理:

  • 压控振荡器的输出经过采集并分频;
  • 和基准信号同时输入鉴相器;
  • 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差,然后输出一个直流脉冲电压;
  • 控制VCO,使它的频率改变;
  • 这样经过一个很短的时间,VCO 的输出就会稳定于某一期望值。

基准信号:

鉴相器是一个相位比较电路,输入的基准信号和VCO输出的信号进行相位比较,输出一个代表相位差的误差信号,经过环路滤波器,滤除误差信号中的谐波和杂波成分,得到误差电压去控制VCO,使压控振荡器的频率朝减小两信号频率差和相位差的方向变化,最终使VCO的输出信号频率等于基准信号的频率。

016 零点漂移

零点漂移,就是指放大电路的输入端短路时,输出端还有缓慢变化的电压产生,即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。

抑制零点漂移的方法一般有:

  • 采用恒温措施;
  • 补偿法,采用热敏元件来抵消放大管的变化或采用特性相同的放大管构成差分放大电路;
  • 采用直流负反馈稳定静态工作点;
  • 在各级之间采用阻容耦合或者采用特殊设计的调制解调式直流放大器等。

017 频率响应

频率响应:通常亦称频率特性,频率响应或频率特性是衡量放大电路对不同频率输入信号适应能力的一项技术指标。

在放大电路中,由于电抗元件(如电容、电感线圈等)及晶体管极间电容的存在,当输入信号的频率过低或过高时,放大电路的放大倍数的数值均会降低,而且还将产 生相位超前或滞后现象。

也就是说,放大电路的放大倍数(或者称为增益)和输入信号频率是一种函数关系,我们就把这种函数关系成为放大电路的频率响应或频率 特性。

实质上,频率响应就是指放大器的增益与频率的关系,通常讲一个好的放大器,不但要有足够的放大倍数,而且要有良好的保真性能。

即:放大器的非线性失真要小,放大器的频率响应要好,“好”指放大器对不同频率的信号要有同等的放大。

产生频率响应的原因:一是实际放大的信号频率不是单一的;二是放大器具有电抗元件和电抗因素。

由于放大电路中存在电抗元件(如管子的极间电容,电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等),使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。

如放大电路对不同频率信号的幅值放大不同,就会引起幅度失真;如放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。

幅度失真和相位失真总称为频率失真,由于此失真是由电路的线性电抗元件(电阻、电 容、电感等)引起的,故不称为线性失真,为实现信号不失真放大所以要需研究放大器的频率响应。

放大电路的频率响应可以用幅频特性曲线和相频特性曲线来描述,如果一个放大电路的幅频特性曲线是一条平行于x轴的直线(或在关心的频率范围内平行于x轴)。

而相频特性曲线是一条通过原点的直线或在关心的频率范围是一条通过原点的直线,那么该频率响应就是稳定的。

改变频率响应的方法主要有:

  • 改变放大电路的元器件参数;
  • 引入新的元器件来改善现有放大电路的频率响应;
  • 在原有放大电路上串联新的放大电路构成多级放大电路。

018 晶体管工作在放大区

019 接收机为什么要加AGC电路

  • 接收的信号有强弱变化,悬殊较大,若不加AGC将使输出起伏较大,影响效果。
  • 为了能接收微弱信号,接收机的放大量总是做得较大,即灵敏度高,但接收强信号时,若不对通道的放大量进行调控,将产生不良后果。

020 LC正弦波振荡器

电感三点式振荡器和电容三点式振荡器。

021 差分运放进行相位补偿

随着工作频率的升高,放大器会产生附加相移,可能使负反馈变成正反馈而引起自激,进行相位补偿可以消除高频自激。

相位补偿的原理是:在具有高放大倍数的中间级,利用一小电容C(几十~几百微微法)构成电压并联负反馈电路,可以使用电容校正、RC校正分别对相频特性和幅频特性进行修改。

022 差分电路求共模分量和差模分量

设共模分量是Yc,差模分量是Yd,则可知其输出为:

Y+=Yc+Yd

Y-=Yc-Yd

023 放大器的输入电阻及输出电阻

在放大电路中,通常希望放大电路的输入电阻高,因为这样对信号源的影响小。

从放大电路的输出端看进去,放大电路可等效成一个有一定内阻的信号源,信号源的内阻为输出电阻,通常希望其值越小越好,因为这样可以提高放大器带负载的能力。

024

直流稳压电源原理

功能:

把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压。

电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。

整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。

滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。

稳压电路: 

清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。

025 集成运放电路的组成

偏置电路:

为各级放大电路设置合适的静态工作点,多采用恒流源电路。

输入级:常为差分放大电路,要求Ri大Ad大Ac小, 输入端耐压高,它有同相和反相两个输入端。

中间级:主放大级常为共射放大电路,多采用复合管,要求有足够的放大能力。

输出级:功率级,多采用互补功放电路或射极输出器,要求Ro小,最大不失真,输出电压尽可能大。

026 有源滤波器

027 RC振荡器的构成和工作原理

正弦波振荡电路的组成:

  • 放大电路: 放大信号
  • 反馈网络: 必须是正反馈,反馈信号即是放大电路的输入信号
  • 选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波即使电路只在某一特定频率下满足自己震荡条件
  • 稳幅环节: 使电路能从½AuF½ >1 ,过渡到½AuF½ =1,从而达到稳幅振荡。

十二、xxx