硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

電路理論有很多,但是實際常用到的就那麼幾個,如果能靈活運用,對常規電路非常有幫助。今天主要介紹幾個常用的理論基礎。

1. 電源電壓模型,我們都知道,電壓源和電流源都不是理想的。兩者是可以相互轉換的。

注意這是對外等效,且變換前後方向不變,受控源也可以按照獨立電源使用,但是需要保留控制參數。

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

電壓源模型


硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

電流源模型


電壓源到電流源:

Is=us/R

G=R

電流源到電壓源:

us=IS*G

R=G

2. 輸入電阻。在高速匹配和放大電路中這個用到的非常普遍。核心思想是在目標端口採用RI=us/is

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

外置電壓源等效

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

外置電流源等效

3. 疊加定律。你可以不用記網孔,迴路等法,但是這個定律使用頻率非常高。

雖然疊加定律只適合線性電路,但是日常電路基本都是線性的並且合理評估是沒問題的。特別在阻抗上下拉,運放電壓計算等方面。

使用時,電壓源短路處理,電流源斷路處理,受控源和其它保留不變。


4. 戴維南和諾頓定律。

一個含獨立源和電阻的一端口可以等效為電壓源串電阻或電流源並電阻的形式,開路可以求出電壓源,短路可以求出恆流源,通過這兩者可以求出等效電阻。

Uoc=IS*Req

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

等效模型

5. 最大功率定律。

該理論在RF電路,高速匹配中使用的非常廣泛。後續我們會有專門的文章講解如何精確匹配。

如何確定一臺設備最大輸出功率和標稱一致?

操作之前你要考慮設備的輸出電阻,開路電壓(這個很容易測到)。如果設備的輸出電阻為Req,只需要在外面增加一個RL=Req負載,如果額度輸出電壓滿足標稱就說明是一致的。


硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

等效電路

在實際工作中需要的理論基本掌握上述幾個就夠了,更復雜的可以借用電子軟件仿真,這個後續我也說到。

接下來我重點介紹幾個常用器件,可以這麼說,能很好的掌握這幾個器件,可以在電子設計中解決大部分問題。

1. 電容。有的人會說,這簡單的東西有什麼好說的。我只能哈哈。

我這邊有一個實際案例:項目需要設計一個採集系統,要求實現微弱信號採集然後再後處理。前期,項目經理考慮小型化,全部採用貼片元件,當然這裡面也包括電容了。之前這套方案已經量產過,這次改版只是做了一個集成:將採集部分和控制部分集成到一塊板卡上,原理是沒什麼問題的。

結果你們也猜到了,信號漫天飛,全部是噪聲。尤其是板卡固定到機器上的時候(機器是有電機工作的)。我直接說結論:

1. PCB疊層設計,沒對模擬電源和走線進行保護。

2. 信號源端的隔直電容採用陶瓷電容。

第一個問題,我後面在信號完整性裡面講解。今天只說第二個。

常用的電容有, 陶瓷,電解,鉭電容,金屬薄膜電容。其他的就是高壓電容沒涉及就不說了。

電容的選擇我們一定要考慮,溫度特性(材質),頻率特性,直流特性,ESR,紋波電流,額定電壓,機械特性。在村田的技術文檔裡,這些曲線都是可以獲取的。

COG,X7R,X5R..(第一個是低溫,第二個是高溫,第三個是精度)

溫度特性,通常情況下,高溫容量變高,低溫容量減少;

直流特性,通常情況下,陶瓷電容在二級材質下,高壓會使額定容值衰減非常大。經驗值是電容的額定電壓是工作電壓10倍(這個基本不可能,小容量的電容如果採用COG,直流和溫度特性基本不變)如果需要大電容量還是採用電解比較靠譜。

頻率特性,一定要關心設計的目標阻抗,通常是容量擴大10倍,頻率減少6倍。(10u~2Mhz)

ESR,瓷片電容這個基本都是毫歐,這也是目前使用比較廣泛的一個原因,電解一定要關注ESR。上述的板卡定型後,採購自己更換電容廠家,導致信號質量稀爛。當然這個只是在中試階段,沒有造成太大損失。

最後一個是機械結構,瓷片電容採用疊層結構,在震動環境中容易形變,如果在微弱信號的採集工程中,使用了瓷片電容。滿天的噪聲可想而知。上述案例我們更換成了金屬薄膜電容就解決了,實測用電解和鉭電容也時可行的。但是金屬薄膜電容的正切損耗非常低且穩定。


硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

溫度特性

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

直流特性

硬件工程師之基本理論(如何解決干擾)

陶瓷電容溫度參數

今天先說到這裡,後期文章將會介紹其他的關鍵器件的使用方法和要點。


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