第8章元件的非理想行为.ppt

1、第8章 元件的非理想行为,本章主要讨论数字电子系统设计中所用的典型电路元件。在考虑这些元件时，不仅要关注元件的理想行为，更要关注这些元件的非理想行为。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。 本章将对于典型元件建立数学模型，通过元件数学模型对元件的非理想行为进行研究。,一、导线 作为系统中的重要元件，系统的导体（导线和印刷电路板，PCB，连接盘）经常被忽略，如果导体在所关注的频率处是电长的，那么他的特性就和传输线一样，不能用集总假设模型来分析，如果导体在所关注的频率处是电小的，那么集总参

2、数电路模型将提供精确的预测。无论在辐射发射频率范围还是在较低的传导发射频率范围，这些元件均远远达不到理想性能。在数字电路中，最重要的影响可能是导体的电感，而导体的电阻在功能设计中通常更为重要。,1、导线的电阻和内电感 半径为rw的圆形导线的直流电阻与电导率及总长度l的关系为： ，随着频率的增高，导线横截面积上的电流由于趋肤效应，在越靠近外部的地方越密集。当趋肤深度小于圆形导线的半径时，其电流流经的区域深度与趋肤深度相等 。,由于电阻和电流所占的横截面积成正比，所以在单位长度的电阻为下式：,导线单位长度的电阻和频率的关系如下图所示， 趋肤深度与频率的二次方根成反比，趋肤深度随着 频率的增加而减小

3、，因此高频电阻的增长速度为 10dB/10倍程。,10dB/10倍程,绝缘导线也有依赖于频率的电感，称为内电感， 因为它是由于进入导线内部的磁通量引起的，直流 内电感表示为： ，这是一个单位常数 的参数，对于高频激励，由于趋肤效应，单位长度 电感表达式为： ， 该式表明对于rw , 高频时单位长度内电感的减小 速率为10dB/10倍频程，如下图所示：,2、平行导线的外部电感和电容 一对导线单位长度的外部电感le是两条单位长度的导线之间的磁通量m与由该磁通产生的电流之比，假设导线充分分隔(s/rw5)，这样电流均匀分布在导线周围，可以忽略邻近效应，则： 总环路电感为线长和两条导线的内电感的乘积与

4、线长与单位长度外电感的乘积之和，即：Lloop=2liL+leL。,导线上的单位长度的电容，取决于导线之间的距离和半径，假设导线充分分隔(s/rw5)，这样电流均匀分布在导线周围，可以忽略邻近效应，则： 全长为L的一对平行导线之间的总电容为单位长度电容与线长的乘积，即：C=cL。,3、平行导线的集总参数等效电路 每个单位长度的参数当其乘以导线长度时就得到该导线的总参数。如果导线是电长的，只有用传输线模型来等效。如果线总长度是电短的，即在激励源上L，那么可能集中这些分布参数得到导线对的集总参数等效电路。以下给出一对平行导线的几种的集总电路模型。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

5、负载，模型的准确度却是有差别的。,如果负载阻抗ZL小于该导线的特性阻抗，那么集中模型和集中T模型可预测的频率将稍高于反向模型和集中模型。这是因为由于一个低阻抗负载与反向模型和集中模型最右端的电容元件并联，因此该电容元件因为负载的低阻抗而无效。而对于负载阻抗大于导线的特性阻抗时，情况正好相反。 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，外电感是随着频率的升高而增加的，而内电感是和频率的平方根呈反比的，随着频率的升高而减小，但是内电感一般比外电感小很多，可以忽略内电感。,二、印刷电路板（PCB）连接盘 在用来连接系统中各个子系统和PCB的电缆中，通常会有很多导线。印刷电路板由一个介质

6、衬底（典型衬底为玻璃环氧树脂，相对介电常数4.7）构成。介质衬底上刻了横截面积为矩形的导体（连接盘）。连接盘横截面积上的电流分布与普通导线上的非常相似。 对于直流或低频激励源来说，电流近似均匀地分布在连接盘的横截面上，因此连接盘单位长度的低频电阻为： ，式中，w为连接盘宽度，t为连接盘厚度。,w,t,对于高频激励源，电流趋向于密集在连接盘的边界上，如下图所示，高频电阻的计算是一个难题，但是通过假设电流平均分布在趋肤深度处可以得到合理的近似值：,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：,三、元件引线的影响,一个元件必

7、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、等的连接导线，属于分立引线连接，还有一种连接方式称为表面贴技术(SMT)，这种连接方式能够减小引线长度。本节将讨论分立引线元件，讨论的结果也适用于表面贴元件。,影响元件高频性能最终要的因素之一就是元件连接引线的长度。过长的连接引线在高频时会会使元件性能偏离理想状态，使元件除了理想特性外，还有感性和容性影响，这些因素与元件相结合将得到远非预期理想特性的总性能。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，沿引线长度分布，等效电路如下图所示。,s,L,四、电阻 电阻是电子系统中最常用的元件，有以下几种基本结构

8、： 1、线绕电阻器：通用线绕电阻器、精密线绕电阻器、大功率线绕电阻器、高频线绕电阻器。 2、薄膜电阻器：碳膜电阻器、合成碳膜电阻器、金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器、化学沉积膜电阻器、玻璃釉膜电阻器、金属氮化膜电阻器。 3、实心电阻器：无机合成实心碳质电阻器、有机合成实心碳质电阻器。 4、敏感电阻器：压敏电阻器、热敏电阻器、光敏电阻器、力敏电阻器、气敏电阻器、湿敏电阻器,1、实芯碳质电阻器 用碳质颗粒壮导电物质、填料和粘合剂混合制成一个实体的电阻器。 特点：价格低廉，但其阻值误差、噪声电压都大，稳定性差，目前较少用。 2、绕线电阻器 用高阻合金线绕在绝缘骨架上制成，外面涂有耐热的釉绝缘层或绝缘漆

9、。 绕线电阻具有较低的温度系数，阻值精度高，稳定性好，耐热耐腐蚀，主要做精密大功率电阻使用，缺点高频性能差，时间常数大。,3、薄膜电阻器 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。主要如下： 3.1碳膜电阻器 将结晶碳沉积在陶瓷棒骨架上制成。碳膜电阻器成本低、性能稳定、阻值范围宽、温度系数和电压系数低，是目前应用最广泛的电阻器。 3.2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。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声、温度系数小。在仪器仪表及通讯设备中大量采用。 3.3金属氧化膜电阻器 在绝缘棒上沉积一层金属氧化物。由于其本身即是氧化物，所以高温下稳定，耐热

10、冲击，负载能力强。,3.4合成膜电阻 将导电合成物悬浮液涂敷在基体上而得，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，主要用他制造高压、高阻、小型电阻器。 3.5、金属玻璃铀电阻器 将金属粉和玻璃铀粉混合，采用丝网印刷法印在基板上。 耐潮湿，高温，温度系数小，主要应用于厚膜电路。 3.6、贴片电阻SMT 片状电阻是金属玻璃铀电阻的一种形式，他的电阻体是高可靠的钌系列玻璃铀材料经过高温烧结而成，电极采用银钯合金浆料。体积小，精度高，稳定性好，由于其为片状元件，所以高频性能好。,4、敏感电阻 敏感电阻是指器件特性对温度，电压，湿度，光照，气体，磁场，压力等作用敏感的电阻器。

11、 4.1、压敏电阻 主要有碳化硅和氧化锌压敏电阻，氧化锌具有更多的优良特性。 4.2、湿敏电阻 由感湿层，电极，绝缘体组成，湿敏电阻主要包括氯化锂湿敏电阻，碳湿敏电阻，氧化物湿敏电阻。氯化锂湿敏电阻随湿度上升而电阻减小，缺点为测试范围小，特性重复性不好，受温度影响大。碳湿敏电阻缺点为低温灵敏度低，阻值受温度影响大，由老化特性，较少使用。 氧化物湿敏电阻性能较优越，可期使用，温度影响小，阻值与湿度变化呈线性关系。有氧化锡，镍铁酸盐，等材料。,4.3、光敏电阻 光敏电阻是电导率随着光量力的变化而变化的电子元件，当某种物质受到光照时，载流子的浓度增加从而增加了电导率，就是光电导效应。 4.4、气敏电

12、阻 利用某些半导体吸收某种气体后发生氧化还原反应制成，主要成分是金属氧化物，主要品种有：金属氧化物气敏电阻、复合氧化物气敏电阻、陶瓷气敏电阻等。 4.5、力敏电阻 力敏电阻是一种阻值随压力变化而变化的电阻，外称为压电电阻器。所谓压力电阻效应即半导体材料的电阻率随机械应力的变化而变化的效应。可制成各种力矩计，半导体话筒，压力传感器等。主要品种有硅力敏电阻器，硒碲合金力敏电阻器，相对而言，合金电阻器具有更高灵敏度。,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，且相角均为0度。但是实际电阻在高频时会偏离理想性能，偏离程度取决于构造技术。例如，线绕电阻由导线构成，高频时具有明显的电感特性

13、，因此，如果通过电阻的电流具有较大的di/dt因子，建议用复合碳纤维电阻来替代；绕线电阻优于复合碳纤维电阻的地方就是元件值的偏差更小。 绕线电阻和复合碳纤维电阻都显示了其他的非理想效果，例如，由于电阻体周围的电荷泄漏从一端到另一端产生了一定的分流电容，还有更显著的效应是由元件引线的电感和电容特性。其等效电路如下图所示：模型中Llead为两条导线围成的回路面积的电感，电容模型为引线电容和漏电电容的并联，对于典型电阻，电感量约为14nH，电容量约为1-2pF。,为了研究这个模型的频率响应，首先导出阻抗的公式，依据模型，按照相量计算方法，总阻抗为：,对应的幅频和相频特性曲线波特图如下所示：,五、电容

14、 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90o。,电容有许多类型，典型的电容类型有陶瓷电容和钽电解电容，钽电解电容可以在小型封装获得很大的电容值(1F100 F)，陶瓷电容的值要比钽电解电容小(1F5pF) ，但是它们在很高的频率上都能保持理想的特性。因此，典型使用陶瓷电容来抑止辐射发射频段内的发射，而钽电解电容由于具有的大电容值，常常用于传导发射频带内的发射抑止，也用于印刷电路板上的大电容量电荷存储。,两种类型的电容都可以看作是由电介质隔开的一对平行板，如下图a所示，都具有相似的等效电路，如下图b所示，但是模型中的元件实质上是不同的，这说明了电容在不同频率波段

15、中的不同特性。电介质中的损耗(极化和电阻性损耗)表示为一个并联电阻Rdiel，阻值和通常期望的一样很大，平行板的电阻表示为Rplate，对于小型陶瓷电容，可以忽略，电容上的引线电感和电容分别表示为Llead和Clead，通常Rdiel非常大，Clead比C要小的多，因此，电容的等效电路如图c所示，其中RSRplate称为等效串联阻抗。,该模型的阻抗为：,特性曲线如下图所示：,电容通常都被选择作为噪声抑制元件，因为在产品完成之后安装很容易，只要将它们简单焊接在连接器两端或PCB上，以提供一个低阻抗通路转移噪声电流。但是合理选择电容值非常重要，否则将不能达到预期的目的。 假设预期降低降低100MH

16、z时的辐射发射，一般可选择一个100pF的磁介电容，如果测试会发现，辐射发射减小了，但是这个减小并不能够满足预期的要求，为进一步降低发射，可能增加电容的值，例如10000pF，当这个电容被替换后会发现，不但没有减小发射（预期40dB），反而增加了，这是因为10000pF的电容的谐振频率低于我们所关注的100MHz，因此电容表现为感性的缘故。,另一点需要注意的是对有用信号的影响。如下图所示，在信号线和回路线之间放置一个电容，是为了转移电缆上的高频信号成分。,如果ZL大于ZC，将有效地防止噪声电流进入电缆。如果ZL远小于 ZC，抑止将不起作用，更为严重的是可能会使信号波形受到影响。因为ZC和R组成

17、了一低通网络，如果其转折频率低于信号频率，将会对信号进行衰减，从而造成信号的畸变。 对于噪声电流的转移，并联电容一般工作在高阻抗电路中。,六、电感 一个电感的理想特性如下图所示，阻抗的幅度随着频率线性增加，相位角恒定为90o。,电感的模型包含导线电阻、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，实际模型如下图所示：,增加电感的值并不一定会增加高频时的阻抗，因为较大的电感会使得谐振频率减小。电容用来旁路噪声电流，而电感与导线串联去阻塞噪声电流，串联电感在低阻抗电路中应用最有效。,七、数字电路器件

18、数字产品的应用由于在快速处理数据和固有抗扰度方面的能力越来越普及。数字以脉冲形式进行传输和处理，每个状态之间的过渡非常快，这些快速的上升和下降会产生高频谱分量，造成高频辐射发射和传导发射。 特别的技术和产品需求要求时钟具有快速的上升/下降时间，就会增加高频频谱分量；缓冲器门电路常用来低电流逻辑信号和强电流逻辑信号间提供接口，具有方波化信号的效果，如果信号被方波化就会增加驱动电流，因此增加了高频分量。 只是偶尔出现信号的导线也可能造成大的辐射发射；虽然这些信号线并不运载高频信号，但是由于无意耦合，这些导线上也会出现高频信号，并且这种辐射发射具有较大的隐蔽性，往往不易被EMC工程师发现。,有源数字器件由微小型芯片形式的集成电路实现，由大量的半导体二极管、双极结晶体管和场效应管组成。EMC所关注的这些元件中的主要寄生元件之一就是在半导体连接点处形成的寄生电容。一旦这些寄生电容加到器件的理想模块中，信号的上升/下降时间将