硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

电路理论有很多,但是实际常用到的就那么几个,如果能灵活运用,对常规电路非常有帮助。今天主要介绍几个常用的理论基础。

1. 电源电压模型,我们都知道,电压源和电流源都不是理想的。两者是可以相互转换的。

注意这是对外等效,且变换前后方向不变,受控源也可以按照独立电源使用,但是需要保留控制参数。

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

电压源模型


硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

电流源模型


电压源到电流源:

Is=us/R

G=R

电流源到电压源:

us=IS*G

R=G

2. 输入电阻。在高速匹配和放大电路中这个用到的非常普遍。核心思想是在目标端口采用RI=us/is

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

外置电压源等效

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

外置电流源等效

3. 叠加定律。你可以不用记网孔,回路等法,但是这个定律使用频率非常高。

虽然叠加定律只适合线性电路,但是日常电路基本都是线性的并且合理评估是没问题的。特别在阻抗上下拉,运放电压计算等方面。

使用时,电压源短路处理,电流源断路处理,受控源和其它保留不变。


4. 戴维南和诺顿定律。

一个含独立源和电阻的一端口可以等效为电压源串电阻或电流源并电阻的形式,开路可以求出电压源,短路可以求出恒流源,通过这两者可以求出等效电阻。

Uoc=IS*Req

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

等效模型

5. 最大功率定律。

该理论在RF电路,高速匹配中使用的非常广泛。后续我们会有专门的文章讲解如何精确匹配。

如何确定一台设备最大输出功率和标称一致?

操作之前你要考虑设备的输出电阻,开路电压(这个很容易测到)。如果设备的输出电阻为Req,只需要在外面增加一个RL=Req负载,如果额度输出电压满足标称就说明是一致的。


硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

等效电路

在实际工作中需要的理论基本掌握上述几个就够了,更复杂的可以借用电子软件仿真,这个后续我也说到。

接下来我重点介绍几个常用器件,可以这么说,能很好的掌握这几个器件,可以在电子设计中解决大部分问题。

1. 电容。有的人会说,这简单的东西有什么好说的。我只能哈哈。

我这边有一个实际案例:项目需要设计一个采集系统,要求实现微弱信号采集然后再后处理。前期,项目经理考虑小型化,全部采用贴片元件,当然这里面也包括电容了。之前这套方案已经量产过,这次改版只是做了一个集成:将采集部分和控制部分集成到一块板卡上,原理是没什么问题的。

结果你们也猜到了,信号漫天飞,全部是噪声。尤其是板卡固定到机器上的时候(机器是有电机工作的)。我直接说结论:

1. PCB叠层设计,没对模拟电源和走线进行保护。

2. 信号源端的隔直电容采用陶瓷电容。

第一个问题,我后面在信号完整性里面讲解。今天只说第二个。

常用的电容有, 陶瓷,电解,钽电容,金属薄膜电容。其他的就是高压电容没涉及就不说了。

电容的选择我们一定要考虑,温度特性(材质),频率特性,直流特性,ESR,纹波电流,额定电压,机械特性。在村田的技术文档里,这些曲线都是可以获取的。

COG,X7R,X5R..(第一个是低温,第二个是高温,第三个是精度)

温度特性,通常情况下,高温容量变高,低温容量减少;

直流特性,通常情况下,陶瓷电容在二级材质下,高压会使额定容值衰减非常大。经验值是电容的额定电压是工作电压10倍(这个基本不可能,小容量的电容如果采用COG,直流和温度特性基本不变)如果需要大电容量还是采用电解比较靠谱。

频率特性,一定要关心设计的目标阻抗,通常是容量扩大10倍,频率减少6倍。(10u~2Mhz)

ESR,瓷片电容这个基本都是毫欧,这也是目前使用比较广泛的一个原因,电解一定要关注ESR。上述的板卡定型后,采购自己更换电容厂家,导致信号质量稀烂。当然这个只是在中试阶段,没有造成太大损失。

最后一个是机械结构,瓷片电容采用叠层结构,在震动环境中容易形变,如果在微弱信号的采集工程中,使用了瓷片电容。满天的噪声可想而知。上述案例我们更换成了金属薄膜电容就解决了,实测用电解和钽电容也时可行的。但是金属薄膜电容的正切损耗非常低且稳定。


硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

温度特性

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

直流特性

硬件工程师之基本理论(如何解决干扰)

陶瓷电容温度参数

今天先说到这里,后期文章将会介绍其他的关键器件的使用方法和要点。


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