2022年电子系统设计方案干扰控制技术 .docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 电子系统设计:干扰掌握技术 引言 每个电气工程师和技术人员都期望他所设计的设备的成本比预期的低、进度提前、工 作牢靠,并且不会干扰其它设备;但是,由于电气噪气和电气干扰的存在,常常达不到这 些目标;假如不能在有限的时间内解决这些问题,我们可能必需舍弃这些工程或者实行修 修补补的方法,铺张了我们投资工程的全部时间、金钱和努力;例如,假如数字系统超过 联邦通信委员会 )对传导和辐射发射的限制,我们就不能在美国销售这些系统;大 多数欧洲国家也有类似的要求,德国的是最严格的一个;在美国,军用设 备必需满意;大多数电气工程课程和书籍不是忽视了电气噪声,就
2、是将争论局限于热噪声;结果,大多数工程师,在调试他们设计的第一个系统时就卷入噪声问题;这通常带来三个副作用: )调试需要比预期长得多的时间;)设计师的信心受到挫伤,)解决问题需要的干扰掏器件使制造成本提高;在我工作的早期,我发觉了一个较好的方法:从开头就将干扰抑制措施设计进产品;这是一个包含四个步骤的过程:)懂得干扰问题的类型,)设计电路时使这些问题减小到最小, )设计线路板、电缆的结构尽量排除这些问题,必要时,使用干扰抑制器 件; )将系统分成模块调试,确认每个子系统组装正确、工作正常,在进行进一步组装 前不会有任何问题;通过一开头就正确地设计系统,我常常提前完成任务,成本也较低,自我感觉良
3、好;这本书包含了我作为实践电气工程师工作了成取得了广泛 有些是代价 昂贵的)的体会,通过与合作者的争论,和三年对电气干扰掌握方法的争论成果;第章 到第章概括了干扰的产生、接收的耦合途径;第章到第章概括了减小干扰问题的技 术;第章到第章的概括减小干扰的物理设计技术;第章概括了干扰问题的发 现、确认和定位技术;附录中包含了电气干扰问题分析的具体资料和设计挑选;作为本书争论的一部分,我在全国个大技术图书馆搜集了资料,总共研读了 公斤以上的书籍、杂志、和会议录;在这些材料中,我发觉了有关干扰掌握的本书 籍,篇技术报告,和篇杂志上发表的文章和论文;其中,最有价值的七个资料资源是:Henry W. Ott
4、 的 Noise Reduvtion Techni- ques in Elecronic Systems,p,这本书全面概括了防止电气干扰问题的设计技术,是我发觉的最好的参考书; William R. Blood 的 MECL system Design Handbook,这本书对高速系统的设计作了详细论述; enneth Keenan的 Digital Design for Interfe- rence Specifications,这本书论述了数字系统中的干扰掌握技术;Donald R. J.Whit- er Handbook Series on Electromagnetic Inter
5、ference and Compatibility,Volum3,这本书论述了在系统中确定干扰问题的技术; iltron 公司的技术报告: Inter ference Reduction Guide for Design Engineers Volum1,供应了射频干扰掌握设计的丰富数据,包括设计数据的图和表;这个领域内两本很好的杂志是 Technology 和 ransactions on Electromagnetic Compatibility;1 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 无源器件 很多电
6、气教科书中假设电阻、电容和电感是线性的,其阻抗为: 对于电阻 j fC 对 于 电 容 j f 对于电感式中:f 的单位是赫兹 图),、是矢量;然而,在实际中 ,全部的器件都有寄生电阻、寄生电容、寄生电感;这些寄生参数在低频时通常无关紧要,但是在高频时起着主要作用;图抱负器件的阻抗特性图是实际电阻的集总阻抗模型;是期望的电阻值,s 是寄生串联电感,单位是亨利, p 是寄生并联电容,单位是法拉第,由于电阻引线和内部结构产生的;在频率 f 处,电阻的阻抗是:图 实际电阻的集总阻抗模型图是实际电阻的典型的阻抗频率曲线;留意两个明显的特性:高阻值电阻起始值较大,但随后下降,而低阻值的电阻起始虽小,但随
7、后上升,然后下降;假如试验各种不同的、 s、 p,我们发觉 s p) 是在阻抗曲线中不会产生尖峰的最低阻抗值;因此将: c 1/2 赫兹处谐振;这时电阻的阻抗大兹赫时约为:f1/2 Ls赫 Lsffc/3兹时 fLs2 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当 f=fc 时,阻值增加为:当 f fc 时,阻值降低为: f p 表是常用电阻的寄生电感、寄生电容和谐振频率的范畴;通常,为了防止较大的阻抗偏移,我们期望电阻的谐振频率远高于电路的工作频率;表常用电阻寄生电感寄生电容和谐振频率的范畴电阻类型 LsnH
8、CppF fcMHz 10 0.11.0 5003000 金属5 30 0.11.5 7502000 碳复合15 700 0.10.8 3001500 碳膜15 700 0.10.8 3001500 金属膜0.23 0.010.08 5004000 表面安装绕线绕线 1/2 欧姆时,电容特性 ffc 之 间 的 过 渡 最 短 , 并 且 最 平 坦 ; 所 以 将 :c .41Ls/Cp1/2 定义为电容的临界串联电阻;假如电容的串联电阻大于 c,就它的阻抗大约为:当 fRs/2 Ls 时, fLs假如 sc,与 s 会在 fc 邻近谐振,这时的阻抗为:当 3 / 24 f3fc Hz 时,
9、 fLc 表给出了常用电容的串联电感、串联电阻、漏电阻和自谐振频率的范畴;我们 通常期望电容的自谐振频率远高于电路的工作频率;这将是大容值电容的一个问题;一种 解决方法是一只小容值电容与大容值电容并联起来;这个技术也能补偿电解电容老化后串联电阻的增加,因此保持电路良好的旁路特性;为了滤除频率很高的干扰,可能要用穿心 电容,并且安装在屏蔽体上供应输入、输出端的隔离; 模拟电路设计大多数模拟电路应用低电平信号而往往成为噪声的受害者;模拟电路应当在最小增益和带 宽的要求下 ,设计成线性工作状态;通过采纳差分信号、保持输出阻抗低于 、负载阻 抗大于 后,拾取的噪声能被减小;高增益放大器在至频率范畴 内
10、趋于振荡 ,所以反馈环路应当设计成能在最差情形下防止这些振荡的发生;假如高电平噪 声进入模拟电路,将使偏置发生变化,并导致放大器灵敏度下降甚至过载;模拟电路要求有效的旁路和去耦,防止通过电源线拾取噪声;图给出运算放大器的 举荐旁路电路;每个运放的和应各有一个至 钽电解旁路电容器;每个运算放大器仍应采纳陶瓷电容器将它的和插针与输出信号回线连接起来;这些旁路电容应当是 .或至少为负载电容的倍,两者取较大的一个;旁路 不足常引起振振荡或“卜卜 ” 声; 留意:假如在电路上并联大的和小的旁路电容,可在大电 容上串连一个 电阻,以减小高频振铃);图 举荐的运放旁路电路图给出举荐的多级放大器的去耦电容器;
11、和有助于抑制耦合进第一级 的电源线噪声;为了减小进入输入级的电源线噪声和发生振荡的可能性,电源输入端应尽 可能靠近输出级;多级放大器的抱负布局为始终线,使输入级和输出级尽可能远离;图 举荐的多级放大器去耦电容假如运算放大器直接驱动电抗性负载 荡;在运放的输出线上串联一个小阻尼电阻 欧姆或的氧体磁珠,就能抑制这些振荡;图中的和),就几乎确定会振 图 a), )4 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 运算放大器驱动电抗性负载假如运放驱动容性负载,也会发生振荡;图介绍倒相放大器抑制振荡的两种方法;和用来调剂放
12、大器的增益; ) )为任选,但它有助于平稳两运放的输入偏置电流,而且假如接近,有助于抵消输入电路中感应的任何热温差电压;在图a)中,增加 ) pF,可在几乎所有负载条件下保持放大器稳固;在图b)中,增加了一个远大于运放输出电阻的电阻器和 ) ,使得在全部负载条件下,放大器都稳固工作;图 倒相放大器驱动电容性负载图介绍了非倒相放大器防止振荡的四种方法;在图 推迟输入信号,所以运放能向充电而不饱和;在图a)中,和 b)中,和减小运放的高频增益而不影响其直流增益;如图 c)中,和 p这里 p是结点上的杂散电容)使运放成为无条件稳固的积分器;在图 d)中,增加 p),得到一个与反馈环路中的电阻性分压器
13、和)相并联的容性分压器;检验放大器稳固性的好方法是在放大器输入端接一脉冲发生器,并调整它,使得在放 大器输出端按 m步进 常规负载端接);假如输出端的过冲低于,就电路 是稳固的;图 不倒相放大器驱动电容性负载 有些模拟电路的输入端用开关与不同信号源相连,如留声机、收音机以及家用立体声 盒带录音机等;沟通耦合输入端应用牵引电阻 图 a)中的和),以供应输 入电容放电通路并防止“喀呖 ”声、 “ 卜卜 ” 声和其它瞬态现象;场效应管开关通过栅极至漏 极的杂散电容能将鼓励信号耦合进模拟输入端;这个噪声可通过减小栅极信号的漂移或在 栅极电路上增加一个滤波器使栅极信号展宽而被抑制;假如信号必需特别快速地
14、转5 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 换,一个带有匹配的场效应管开关电路和匹配输入端的差分放大器 ,)将抵消电荷转移;图 开关模拟信号图 c)中,年,我设计了一台新型喷墨式打印机的功能测试仪;这台测试仪能监控 至的约种模拟信号,其模拟输入电路板额定电压;为了爱护昂贵 的模拟电路板,我打算用廉价的运放阻尼全部模拟信号;图介绍了我以前设计的非倒相放大器 用于信号低于 )和倒相放大器 计,我预期输出电缆约两 M 长;用于信号超过 );依据初始结构设图 有条件稳固放大器 .接口电路设计:电子系统和 “实际世界
15、”之间的接口,要特殊留意很多噪声源;输入输出装置通常独立的单元,通过长的电缆与主系统连接;很多输入输出装置包括螺旋 管线圈、开关、继电器和电机,在高电平工作时,产生大电压和电流尖峰;为了减小这些 噪声问题,在设计慢的、低电压和电流工作的接口电路时,使用抑制电弧和尖峰的电路,尽可能使大功率电路简洁;非线性的连接可以滤去高频噪声,把其送到低频电路中去,这种效应称为“ 音频检波 ” ;商 用机可以有m电场,军用设备为m电场,于是未屏蔽长电缆能简洁地 拾取之多的共模噪声;在这个电平上,不仅晶体管和集成电路中结,甚至冷焊 接头和已腐蚀的连接,可以起到检波作用;通过更换导线来产三少噪声的拾取,或者增加低通
16、滤波器来爱护敏锐的连接图),可以降低音频检波;图 削减音频检波输出电路必需设计成能承担由负载引起的大的起动电流;例如,白炽灯在开启时,可6 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以是工作时倍的电流,变压器是倍,电机是倍,继电器是倍;这些大的起动电流产生大量噪声,可以熔化触点或毁坏半导体;可控硅整流器 )和三端双向可控硅开关产生大量噪声,由于在开起时驱动重负载;通过将其在电源电压零交叉时起动,可以削减噪声;在的阳极,或者三端双向可 控硅开关上尖峰电压可以通过寄生电容耦合到栅极,使器件突然开启;缓冲器 图)可以吸
17、取这些尖峰脉冲以下简称尖峰),来防止突然开启;按体会法就,缓冲器中电阻器等于最小负载电阻;对于中小电流的或三端双向可控硅开关,驱动负载的 电感为 ),就 和 );假如负载电阻小于 ,图 d)中和可省去;双极型晶体管和场效应晶体管)可以产生振荡,由于基极和栅极的寄生电容;这种现象特殊普遍,当高频晶体管 单位增益频率 ft )工作时低于 .ft时;我们能够防止双极晶体管振荡,是在基极一发射极上加电容器 图中和);对于,在栅极串联 电阻器 图中和)有同样的结果;另一个有效技术,即不转变原电路图,在晶体管基极栅极上穿磁珠 图中),以降低高频增益,不影响低频特性;图防止和三端双向可控硅开关开启图 防止晶
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