从零学运放—09电阻电容电感被动器件

从零学运放—09电阻电容电感被动器件

前面大家讲了运放的相关常识,实际当中运放变化也就这么多。通常大家把运放加上一些外围器件组成电路,之后再做成PCB制板调试出来,整个过程中会碰到很多困难。比如有些人说,噪声怎么降不下去啊,有波动啊,有干扰啊。

那么影响运放1、就是PCB的设计了,PCB设计的良不良好是很关键的;2、器件的选择,比如被动器件选择,电阻、电容、电感的选择是关键;3、供电电源非常关键,供电不好,比如有干扰;4、示波器的使用也非常关键,很多人对示波器了解的不多,那么本身一个电路示波器加上去之后就影响这个电路了,那么如何降低测量时的误差也是很重要的。

今天大家先讲一下电容和电感,很多人对电容、电感一知半解,尤其是电感懂得人更少,比如电科里边的小分支磁珠,几乎对它没有感觉。比如说一纳哼多少,1纳法是多少,它一般用在哪个地方。

大家最常见的芯片上电源和地之间做个退耦,退耦电容一般用100nF,那我用1uF行不行,用10uF行不行,那我用电源电容行不行。这些大家都很疑惑,接下来大家把这方面的常识讲一下到底怎么回事。

此外不同的发展阶段,比如以前大家用的瓷片电容,瓷片电容是插脚的,今天大家用的电容往往是贴片的,以前电路板都是插脚的电路板,PCB上很多物料都是插脚的,今天大家基本上都用贴片的(SMD)为主的器件,它的引脚短了很多,引脚短了很多,实际上很多特性就变了。但是大家很多书,都是些的老的器件(擦脚),比如100nF的电容,因为插脚时期的电容100nF是性价比最好的、最常见的。那么现如今不是了,现在0805的贴片电容100nF也是非常常见,也是性价比最高的,但是它有1uF的、甚至更高有10uF的、22uF的最高的这样的容量,当然它的内压比较低。那么我在电路中更喜欢1uF的,不是100nF了,甚至更高的地方,甚至会用瓷片电容当电源电容来使用了。其实手机里大量用了瓷片电容代替了钽电容,手机里就没有电解电容了,电解电容体积太大了。

首先大家下载一个App,下载链接是下边的这个链接

http://murata-chip-s-parameter-impedance-librar.software.informer.com/download/?caa63b

如果上边链接失效,请到

http://murata-chip-s-parameter-impedance-librar.software.informer.com/download/

这个页面找到如下图中的框选部分,下载App

这个App是murata是一家日本的做被动器件非常出名的企业(别说我不爱国,这就是爱国的过程,学习人家顶尖的东西,来强大大家,这就叫改革开放),这家企业里的被动器件可以说全世界数一数二的。企业名字叫村田。

电容

接下来我来看下电容,大家先来看0805封装,因为0805是市面上用量最大的,也是便于大家曙光焊接的器件。所以大家电路常用0805封装的。手机常用的是0402,智能手机兴起之后用的是0201。封装编号的含义是英制单位04是长度40个u,02表示宽度20个u,40个u其实就是1毫米,20个u就是0.5毫米。0402就是长度1毫米*宽度0.5毫米的这么个尺寸的瓷片电容。下图是这种封装的贴片电容的样子。

第一个框表示是电容;第二个框表示0805;那么TCC就是不同的材料组成的,一般小容量的是C0G这种材料的,这种材料性能稳定,一般用于射频方面的,它的温度特性非常稳定,不受温度影响太多,它的容量也比较稳定,实际电容就跟弹簧一样,比如弹簧拉伸了形变之后快到极限的时候,你再拉它也拉不上去,在一定范围只能遵循胡克定理,拉伸到极限弹性形变过不去可能就不在遵循胡克定理的线性关系了,

瓷片电容也一样,它在某一段范围内,比如说电压越高电荷存储越大,电容值不变情况下,当电压达到一定的程度,电压越高电容值是下降的,所以说它的电容值并不是一个固定值,这个跟弹簧是等价的。

其中C0G这个材料,它的温度特性也好,容量跟电压之间的关系也好,就是说都比较稳定。所以说在射频、温度影响大的地方一般都采用C0G这种材料的陶瓷电容。它也有缺点,缺点就是容量从200fF到22nF,所以C0G这个材料,容量做不上去,那么容量小的话内压可以做得高,可以达到250V(20fF),最小50V(22nF)。

大家看到同一个封装,同一种材料,表征电容特性的时候,它的耐压跟容量的乘积是一个定值,就是之前讲的带宽增益积有点相似的。容量上去了,耐压就下来了(同封装,同材料情况下)。

大家以10nF为例,如下图

很多时候耐压取了50,其实它就是取了一个整,实际上并不可能一样的,它的等效模型是

LCR,R内阻,之后电容,之后是电感(任何东西有长度就有电感),之前曾经提到过,大家可以近似的把一毫米等于一纳亨来理解。0805相当于长2毫米有长度,所以说肯定有电感,那具体电感量多少呢?

App已经列出是0.53nH,1毫米等于1nH只是个近似值,一般指的是一条很细的导线的经验公式(实际上不一定等于1nH,因为电感量的多少跟导线的形状有很大关系,一般讲导线越粗,电感量会下去。

电感式通过导线自身的磁力线表征它的电感量的,同样电流下磁力线越多,电感量越大)。一般来讲封装如果做的越厚,电感量就会下降,做的越薄,电感量必然上升。比如C0G的10nF是0.53电感量,1pF电感量就是0.7(因为越薄了)。电容量,通过上图大家看到10nF还是10nF了,串联的电阻值是0.051欧,也就是51m欧。串联起来的的电感和电容,那么它其实是有个谐振点的,谐振点是,68.87MHz

这个电容的谐振点,是在68.87上,电路频率高于68.87那它就不是电容,它就是电感了。低于68.87以下的才是电容,那么大家把电容使用于谐振的时候不能靠近谐振点。

那么大家通过App改变频率的时候,它的电容电感的等价值就会变化

大家调整频率为68.87,那么电感电容电阻等效值是0.02,得到了一个最小的值。也就是说这颗10nF的电容它的谐振点在68.87MHz上,加入有一个干扰产生它的频点一直在68.87MHz附近,那么我可以用这个电容通过并联把它吸取掉,手机里就经常干这样的事情,把一个电容看成一个电容和电感的串联谐振体,哪个频点有干扰有噪声那么大家就加入这类电容。

它还可以做一个带通滤波器,比如手机频点一个是900一个是1800,那么中心点就在1200-1300,那么大家找一颗带同滤波器,带宽可以掩盖900和1800的一个电容,通过电容耦合出去,这个值一般常用选择33pF,有些也采用27pF。大家以27pF为例比如说900兆的时候,如下图

电路频率900MHz的时候,它对应的阻抗是2.85欧姆

电路频率1800MHz的时候,它对应的阻抗是4.14欧姆

所以说大家27pF或33pF做它的带通滤波器

电容这里是用它的选频特性(谐振点),做带通滤波器或者耦合信号,另一个就是消除干扰,例如哪个频点有干扰我就消除哪个频点。大的电容是不行的,大的电容会把信号滤掉了,而小电容恰好针对于某个谐振点,某个频带区域我可以用它滤掉。

大家不能把电容当成一个纯粹的电容,超过了谐振点它就是一个电感。

电感

电感也是有谐振点这个特性的,通过查看大家看到电感值越大,谐振点越小。它的等效电路如下图

是一个电容与一个电感和电阻的并联。电感也可以等价与电容,只不过电容串联的时候实现带通滤波,电感是并联的时候实现带通滤波,如下图

大家改变频率值,它的电容值是不变的,电感量也基本上不变。不同的频率下它的阻抗是不一样的。电感量大家用的少,一般小容量的电感往往用在射频这些电路中做匹配用(50欧姆阻抗匹配用的多)。

上边的电感是瓷片电感,跟功率电感是两码事。电感有很多种,瓷片电感、功率电感(绕线电感)。上边的瓷片电感是用一些银浆刷上去的一层一层叠上去的,里边是没有线的,形成一个涡旋一样的绕状之后再密封起来的,所以它的容量一般做不上去,并且电流一般都比较小,比如0402最大也就270nH才110mA的电流,是跟功率电感不一样的。像0603、0402,0201用在射频上的比较多。

此外就是磁珠,磁珠是电感中比较特殊的东西。磁珠是怎么回事呢?

就是一些磁性材料,瓷片参杂一些磁性材料,这种瓷片材料在高频情况下,在高频情况下会通过它发热损耗掉,这种材料一般有镍芯、锰芯之类的磁性材料。因为高频特性导致磁滞损耗,于是把高频能量通过以热的形势损耗掉(加入一些损耗特性)。但实际往往用于哪些地方呢?

最常见的就是USB,大家把笔记本打开USB接口上的D+、D-两根USB差分线里面往往串联了一个磁珠。磁珠本身就是一个电感有电感量;第二它有个损耗,往往消除一些尖峰用;还有一些抗共模作用。因为它有损耗所以它不引起震荡。

但是实际使用中磁珠并不是使用的很理想,所以很多人往往直接用一颗电阻来代替了磁珠。磁珠只有在频率很高的时候才有一定的价值。由于磁珠的电感量太小了,比如我想实现一些滤波特性,电感量太小了,这个损耗也很小所以效果并不是很明显,反而有些时候我还不如串一个电阻上去效果比较直接。还有大电感量的磁珠它的内阻也很大。所以磁珠的使用过程中都很尴尬,有些时候你放上去吧,有用确实有用,起多大作用吧又谈不上,只能说会有改善吧。那么磁珠在哪些地方会用到呢,降低一些辐射我可能串一个磁珠,可以降低它的辐射强度,这个地方是比较好用的。

电路板

接下来大家讲下电路板,电路板正面主要是布线的和器件,背面基本上就是地,除了一些跳线,设计短路板的时候要做到尽量有个一层完整的地(主地层尽量少的有折线,以免破坏地的完整性,这个非常重要,

比如说我器件放在顶层,我背面有个完整的地,假如有电磁干扰进来,因为有个完整地,底层就把干扰全部给屏蔽了透不到顶层来,相当于我根本不用做仿屏蔽处理了,那我想我的高频电源里面是个5-6千瓦的频率是1MHz的高能量的干扰辐射,通过我2千多台的出板量没有一台因为控制板死机重启的,也就是我的控制板直接放在机器内部里的,原因就是有一层完整的地的良好设计),背面允许跳线,但尽可能的短。

第一、有个良好的地,是设计PCB最为关键的一步

第二、板子上芯片的供电一定要良好。下图芯片背面只有三个退耦电容,它是放在背面的还不是放在正面的外围,放在正面的外围也可以,之所以放在背面的原因是回路最短,蓝色是地,粉色链接的就是电源引脚。

大家可以看到英泰尔的CPU它的底部插针的中心往往有几个电容,PGA的芯片电容也往往放在芯片的背面,尽可能的想办法让回路最短,回路越短芯片的工作稳定性越好,这地方的电容不要再用100nF了,100nF是以前的历史,现在可以大一点可以用1uF或者10uF,为什么呢容量大一点可以做储能。

电容在这里有2个功能(1、储能,容量越大,瞬间需要能量的时候可以供出来;2、瞬间供应能力跟回路的电感量相关,回路长短相关,例如刚才一颗0805(X5R、X7R大容量的(温度特性会下降),上边讲的C0G是小容量的)的电容来说,这里需要看的是电容的电感量,X5R1uF10V它的电感量是0.47nH,这个电感量远远没有回路产生的电感量大,一颗芯片它引脚从芯片里引出来他可能就有2-3个毫米了,再加上电路回路形成,其实回路的影响很大的)。

所以说PCB的回路远远大于电容自身的电感量,而退耦电容真正影响它的是回路中的电感量,所以大家设计的时候尽量降低回路中的电感量,所以在这里瓷片电容自身的电感量可以说忽略不记,这个情况下大家容量用的越大越好,但是芯片成本就上去了也没太大必要。

设备中供电,建议用12伏比较好,12伏的开关电源便宜,很多器件都能承受12伏的内压,比如MOS管三级驱动电压一般在20伏以内,那我用12伏驱动很容易,做相关地方比较好做。

1584是比较一个先进的电源IC,它可调的频率比较高可以到1MHz,所以说体积可以很小,它的电感取值可以比较小,一般都把它降压为5伏

滤波是47uF(1812封装的瓷片电容就可以了),5伏之后再通过1217产生一个3.3伏我想要的各种电压,这样有个好处,3.3伏是个模拟电压,而电感输出的是开关电压,容易有纹波,通过1217之后稳定性更强。那么有些时候我的开关电源焊接不好的话,电感处输出有可能变成12伏了,那我也可以通过1217降到3.3伏,不会说一下把芯片烧掉。

市面上瓷片电容鱼龙混杂,有很多假货,大家采购的时候要重视一下,价格也很乱,品牌好的绝对没问题,品牌差的还是要注意一下。

上下两层边缘处最好过孔,把上下两层的地连起来,一般静电从边缘进来,这样让静电以最短的距离到地,防止乱跑,不会影响芯片、烧芯片之类的,可以大大提高芯片可靠性。

芯片的地脚过孔直接落地,所以部芯片的时候,马上落地就可以了,不用管太多其它的。

大家的电路是有去有回,形成一个电子的通道,画PCB大家画了一个公地,一是为了偷懒,如果每个器件线都要接两根PCB布板的时候很头疼,那现在把所有的地回路大家用公共的一条线集中起来那么这就是公共地了,那么器件与器件的连接大家用一根线就可以了,地大家可以理解为很多线的一个集中(公共端)。

公地的好处就是所有的信号线,跟地都有一个电场把能量约束在信号和地之间,这是很关键的。这样你的电路板对外的辐射能量也会很弱,外边电路干扰也会很弱。那怕是你PCB正面有干扰产生,因为你后面有完整的地它也会反射屏蔽掉。所以这种设计对于频率不是很高的干扰来说它都具备很强的干扰能力;对于频率比较高的干扰来说,因为它的波长比较短它还是有一定的影响的。

另外PCB空旷的地方打些空,信号重要的地方也打些空,就是为了把上下地连接起来。

只要遵循上面几点,一般问题不会大。无非两点,1、静电,2、抗干扰,3、退耦电容保证回路最短

手机上还有一些辐射罩的设计,防止机带频率干扰到射频电路,射频电路有辐射罩,机带CPU也有辐射罩。也是防止外面的干扰进来。挡静电通过屏蔽罩直接落地。

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