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元器件的非理想 行为 电磁兼容导论 第5章 v在这一章中讨论电子系统设计尤其是数字电子系统 设计中的典型电路元件。主要研究电路元件在抑制 辐射和传导发射方面的作用和它们的非理想行为。 例如，对于一个电容器，常常用作高频信号的旁路 和转移，但是当预期频率超过电容器的自谐振频率 ，那么电容器的性能将类似与电感性能，而无法实 现预期的低阻抗。 v在这一章中将建立数学模型，通过它们可对元件的 非理想性能进行更深入的理解。 v这里所关心的元件性能将集中在规定的高频端，用 于减少传导和辐射发射。 主要内容 v1.导线 v2.印制电路板（PCB）连接盘 v3.元件引线的影响 v4.电阻 v5.电容 v6.电感 v7.铁磁性材料饱和与频率响应 v8.数字电路器件 5.1 导线 v作为系统的重要元件，系统的导体经常被忽略。如果导体在 所关注的频率处是电长的，那么它的特性就和传输线一样， 不能用集总假设模型分析。如果导体在所关注的频率处是电 短的，那么集总参数电路模型将提供精确的预测。在辐射发 射频率范围（30MHz40GHz）和较低的传导发射频率范围 （150kHz30MHz）内，这些元件远远达不到理想性能。至 少在数字电路中，最重要的影响可能为导体的电感，而导体 的电阻在功能设计中通常更为重要。 v本节所涉及的导线由一个或多个实芯的圆柱形导体构成。表 5-1给出了不同导电材料的相对电导率（相对于铜）和相对 磁导率（相对于自由空间）。 5.1.1 导线的电阻和内电感 v半径为rw的圆形导线的直流电阻及其电导率和总长 度之间的关系为： v随着频率升高，由于集肤效应，在越靠近外部设备 的地方导线横截面上的电流越密集。深度为： v下表给出了铜的集肤深度： ff 50Hz9.3mm1MHz2.6mils 1kHZ2.09 mm10MHz0.82 mils 10kHZ0.66 mm100MHz0.26 mils 100kHZ0.21 mm1GHz0.0823 mils v较高频率时，电流越来越集中在导线外表面近似为一个 集肤深度的厚度处。由于电阻与电流所占横截面面积成 正比，所以单位长度的电阻变为： v导线单位长度的电阻和频率的关系如下图所示，集 肤深度随着频率的增加而减小。高频电阻rhf的增长 速率为10dB/10倍频。电阻保持直流值直到两条渐 近线相交时所对应的频率。 The two asymptotes meet at point: v绝缘导线也有依赖于频率的电感，它被称作内电感，它 是由进入导线的磁通量引起的。直流内电感是一个单位 常数的参数，它表示为： v对于高频激励，电流又趋向于聚集在导线表面，单位长 度交流自感： v上式表示，高频时，单位长度内电感的减小 速率为-10dB/10倍频。该频率特性如下： 2.The two asymptotes meet at point: 1. HF inductance decreases at a rate of 10 dB/decade. 5.1.2 平行导线的外部电感和电容 v前面推导出来的电阻和内部电感只于导线相 关。电流需要一条返回路径，最常见的结构 为具有相等半径，长度和间距的一对平行导 线如图所示。 外自感： v总环路电感为线长和两条导线的内电感的乘 积与单位长度外电感和线长的乘积之和： v两条导线之间的单位长度电容取决于导线之 间的距离和半径的。假设导线充分分隔，这 样电流均匀分布在导线周围，可以忽略临近 效应，与外电感类似，可得： 单位长度电容 5.1.3 平行导线的集总参数等效电路 v每个单位长度的参数当其乘以导线长度时就得到该长度导线 的总参数。如果在激励频率上L,那么只有将传输线作为导线的模 型。以下给出一对平行导线的几种集总电路模型，虽然这些 模型对于电短的导线均是合适的，但是针对不同的负载，模 型的准确度有差别。图a为集中反向伽马模型，如此命名是 因为它类似于希腊字母。 v余下几个集总参数电路模型：集中，集中T，和集中模型都是这样命 名的。值得注意的是，任何一个模型中外部电感和内电感都是串联的， 外电感随着频率升高而增加，而内电感则随着频率升高而减小，但是内 电感一般比外电感小很多，可以忽略内电感。 v 5.2 印制电路板（PCB）连接盘 v连接盘的外电感和电容的计算非常困难，一般只 能通过数值方法来计算，对于连接盘和微带线等 典型的PCB结构的近似计算方法如下： 5.3 元件引线的影响 v现在开始对电子系统中不同的分立元件、电阻、电容和 电感等进行研究。研究的重点在于它们在规定限值的高 频范围内的非理想特性。一个元件必须通过引线与电路 相连，这些连接导线通常为裸线形式，如电阻、电容的 连接引线。这就是所谓的分立式连接。还有一种连接技 术越来越多的被使用，该技术加快了印制电路板的上元 件的自动装配。可能最常用的替代方法是表面贴技术（ SMT）。 v为了对连接引线的电感建模，考虑如图a所示 的分立引线连接。利用由前面式中给出的平 行导线的单位长度电感乘以引线长度的结果 可以获得环路电感。 v下一个将要考虑的效应就是引线之间的电容 。其模型如下图所示。 v如何将这两种效应综合于单个模型之中？利用平行 导线的单位长度电感及单位长度电容得到环路总电 感和总电容，这是分布参数，对于这个问题没有唯 一解，因为这些都是分布参数元件。换句话说，它 们的效应沿引线长度分布，其等效电路如下图所示 。 5.4 电阻 v电阻可能是电子系统中最常用的元件。这些 元件的结构有三种形式。复合型碳纤维，线 绕型，薄膜型。 5.4.1Carbon composition Resistor 复合型碳纤维电阻 CCR is made up of a solid rod of conductive composite material, the chemical composition of which is altered to produce different resistance values. Altering the ratio of filler to conductor to change the resistance value. Carbon Ceramic CCR: Typical Application Generally, CCR is suitable for any application involving high- energy pulses, where small size is important. CCRs is used as surge protection resistors in medical monitoring equipment and as output resistors in defibrillators. If an ECG equipment is attached to a patient, it may be necessary to apply a defibrillator pulse in the case of cardiac arrest. There would not be time to disconnect the ECG leads, and this equipment must be protected. CCRs either mounted inside the equipment or molded into the leads, provide protection. These resistors are required to withstand all of the pulse energy typically around 30J but could be as high as 100J at 3000V. 5.4.2 线绕电阻 v线绕电阻器 v线绕电阻器是用康铜、锰铜或镍络合金丝在陶瓷骨架上而制成的一种电 阻器，表面有保护漆或玻璃釉。 v优点：噪声小，不存在电流噪声和非线性。温度系数小，稳定性好，精 度可达到0.5%0.05%，主要做精密大功率电阻使用。 v缺点：高频特性差 ，时间常数大 v阻值范围：1欧5兆欧 v额定功率：0.125w500w v 线绕电阻器是用电阻丝绕在绝缘骨架上再经过绝缘封装处理而成的 一类电阻器，如图所示，电阻丝一般采用一定电阻率的镍铬、锰铜等合 金制成，绝缘骨架一般采用陶瓷、塑料、涂覆绝缘层的金属骨架。具有 温度系数小，精度较高的特点。在线绕电阻器中，有一种用陶瓷做骨架 ，在电阻器的外层涂釉或其他耐热并且散热良好的绝缘材料的大功率线 绕电阻器，这种线绕电阻器的特点是耗散功率大，可达数百瓦，主要用 作大功率负载，能工作在150300温度的环境中。 5.4.3 薄膜电阻器 v用蒸发的方法将一定电阻率材料蒸镀于绝缘材料表面制成。主要包括如 下几类。 v1.碳膜电阻器：将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。其成本低、性能稳 定、阻值范围宽、是目前应用最广泛的电阻器。 v2.金属膜电阻器：用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面 。其精度高，稳定性好，温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采 用。 v3.金属氧化膜电阻器：在绝缘棒上沉积一层金属氧化物。其高温下稳定 ，耐热冲击，负载能力强。 v4.合成膜电阻：将导电合成物悬浮液涂覆在基体上而得，因此也叫漆膜 电阻。由于其导电层呈现颗粒状结构，所以其噪声大，精度低，主要用 它制造高压、高阻、小型电阻器。 v5.贴片电阻SMT：片状电阻是金属玻璃铀电阻的一种形式，它的电阻体 是由高可靠的钌系列玻璃铀经过高温烧结而成，电极采用银镄合金浆料 。体积小，精度高，稳定性好，片状元件，高频性能好。 5.4.4考虑引线影响的电阻模型 v一个电阻的理想频率响应对于所有的频率，其幅度均为其电阻值，相角均为0， 但实际电阻在高频时会偏离理想性能。例如，线绕电阻由导线构成，高频时具有 明显的电感特性，因此这种情况下建议用复合碳纤维电阻来替代。 v碳纤维复合电阻和线绕电阻都显示了非理想效应。举个例子，由于电阻体周围的 电荷泄露从一端到另一端产生了一定的“分流电容”。通常这是一种很小的影响。 一个更显著的效应是由元件引线的电感和电容特性。用一个集中反向电路代替 引线可以得到下图所示的模型。 v其等效电路如下图所示。这个模型中的引线电感Llead指的是由2条引线围成的回 路面积的电感。 这个模型中的寄生电容指的是引线电容和漏电电容的并 联组合。 对于典型电阻，Cpar=1pF2pF,Clead约为0.128pF,也许 小于电阻体的漏电电容，电感量约为14nH。计算这些元件 效应是有益处的。考虑一个1K欧的电阻，假设寄生电容为 1pF,频率为159MHz时Cpar的阻抗是1K欧，电感和电容在频 率约为1.3GHz时产生了协振，这举例说明了对于高阻抗电 容，寄生电容控制着元件效应。 为了研究这个模型的频率响应，首先导出模型的阻抗公式。 v 下图给出了该阻抗的幅度和相位相应的伯德 曲线或渐近线。在这里将频繁地采用对数或 伯德曲线来表示元件的频率响应。 相频曲线 幅频曲线 谐振点 v理解上述简单原理，连同对元件的物理结构 的理解，有助于建立可以表示非理想特性的 模型。下图为对不同频率范围内的模型的研 究。它将用于许多情况下对元件和装置的研 究和建模。 5.5 电容 v一个电容的理想特性如下图所示，阻抗的幅度 随着频率线性减小，相位角恒定为-90。 a b c v该模型的阻抗为： v其特性曲线如下图。 5.6 电感 v一个理想电感特性如下图所示，阻抗的幅度随着频率线性增 加，相位角恒定为90 v电感的模型包括导线电阻、寄生电容、引线电感和引线电容 ，通常情况下，引线电感远远小于电感本身的值，因此可以 忽略引线电感；引线电容也通常小于寄生电容，因此，引线 电容也可忽略，实际模型如下所示: v这个模型的阻抗为： v其伯德曲线如下所示： 5.7 铁磁性材料饱和与频率响应 v为了抑制噪声，铁磁性材料在EMC中广泛应用，对 于铁磁性材料，有3个特性需要认识：饱和，频率 响应，集中磁通的能力。 v考虑螺旋线管电感，为了增加电感的感抗，电感线 圈绕在铁磁芯上，它具有很大的相对磁导率，这些 磁导率是在低频或直流情况下测得的，铁磁性材料 具有饱和特性。 5.8 数字电路器件 作业 v1.求2in