電路設(shè)計(jì)中可靠性和抗干擾能力提升的注意事項(xiàng)

　　本文從最基本、最常用的電子元器件和基本電路的著手，介紹電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的一些問題， 以提高所設(shè)計(jì)電路的可靠性和抗干擾能力。

　　一、基本元件

　　1，電阻

　　1）基本概念

　　我們都知道， I = U/R這個(gè)公式， 也知道P = UI. 電阻是一種非儲(chǔ)能元件， 它直接將電能轉(zhuǎn)換成熱能， 因此， 如果電阻上消耗的功率過大， 會(huì)導(dǎo)致其過熱而燒毀。

　　2）基本參數(shù)

　　阻值，精度，功率。 使用時(shí)我們應(yīng)該注意以下一些問題：

　　在數(shù)字電路中， 大部分對(duì)電阻的阻值要求不是很高（如大量使用的上拉和下拉電阻）， 因此應(yīng)該盡可能減少電阻的阻值的種類， 以方便采購和生產(chǎn)。

　　只有在對(duì)精度要求特別高的場(chǎng)合， 如電源及運(yùn)放的反饋電阻， 我們才選用高精度電阻（一般1%）， 大部分場(chǎng)合我們選用5%精度的電阻就可以了。

　　在流過比較大的電流的電路中， 我們應(yīng)該好好計(jì)算一下電阻消耗的功率， 否則如果實(shí)際消耗的功率大于其額定功率會(huì)燒毀電阻。

　　2，電容

　　1）基本概念

　　我們應(yīng)該知道幾個(gè)基本的公式：

　　2）特性參數(shù)

　　容值，精度，耐壓值，泄漏電流，頻率特性。 在使用的時(shí)候， 我們應(yīng)該要注意以下一些問題：

　　耐壓值：施加在電容上的電壓如果高于其額定的所能承受的電壓， 將會(huì)導(dǎo)致電容擊穿燒毀， 因此， 無論如何高于實(shí)際工作電壓1.5倍以上的電容耐壓值，此電容可選，否則電壓一旦超過耐壓值，電容就容易被燒壞。

　　泄漏電流：泄漏電流是指在沒有故障施加電壓的情況下，電氣中帶相互絕緣的金屬零件之間，或帶電零件與接地零件之間，通過其周圍介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流稱為泄漏電流。極性電容中又分為正向泄漏電流和反向泄漏電流，反向泄漏電流很大，當(dāng)在極性電容兩端接上反向電壓時(shí)，由于反向泄露電流很大，P=U·I，電容則會(huì)被燒毀，這也就是極性電容一定不能接反的原因。

　　頻率特性：實(shí)際電路中，電容等價(jià)于電容與電阻并聯(lián)再和電感串聯(lián)。其在高頻時(shí)呈感性，低頻時(shí)呈容性。高頻濾波用電容量小的獨(dú)石電容，低頻濾波時(shí)用電容量大的電解電容。

　　3，電感

　　1）基本概念

　　電感是閉合回路的一種屬性。當(dāng)線圈通過電流后，在線圈中形成磁場(chǎng)感應(yīng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗，也就是電感，單位是“亨利（H）”

　　2）特性參數(shù)

　　包括電感量，精度，飽和電流，工作頻率，工作電流電感量，如圖，電感為一根鐵氧體磁芯和纏繞在其外部的銅導(dǎo)線組成，當(dāng)沒有磁芯時(shí)，電感量很小。

　　工作電流：在實(shí)際電路中，電感等效于自身串聯(lián)一個(gè)電阻，電流通過會(huì)產(chǎn)生渦流形成熱量，電感太小，通過的電流就較大，W=1/2·L·i²，會(huì)導(dǎo)致過熱燒毀電感。

　　4，二極管

　　1）基本概念

　　二極管又稱晶體二極管，簡(jiǎn)稱二極管。它是一種具有單向傳導(dǎo)電流的電子器件。

　　2）特性參數(shù)

　　包括工作電流，正向?qū)妷海聪螂妷?，正向?qū)〞r(shí)間，反向恢復(fù)時(shí)間

　　正向?qū)妷海和饧诱螂妷簳r(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被克服，二極管正向?qū)?，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變，這個(gè)電壓稱為二極管的正向?qū)妷骸?/p>

　　反向電壓：外加反向電壓不超過一定范圍時(shí)，通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。如果反向電壓過大，二極管就會(huì)被擊穿。

　　正向?qū)〞r(shí)間和反向恢復(fù)時(shí)間：在實(shí)際數(shù)字電路中，二極管的正向?qū)ㄅc反向回復(fù)都是需要一定的時(shí)間才能完成，為了提高電路系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們要盡可能縮短導(dǎo)通與恢復(fù)時(shí)間，一般會(huì)用到肖特基二極管，俗稱快速二極管。

　　5，三極管

　　1）基本概念

　　半導(dǎo)體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。

　　2）特性參數(shù)

　　包括功耗，頻率特性

　　頻率特性：三極管有三種工作區(qū)間，截止區(qū)，放大區(qū)和飽和區(qū)。放大狀態(tài)亦稱為線性工作狀態(tài)，Ic=ß·Ib，用在模擬電路中。截止和飽和狀態(tài)也稱為開關(guān)狀態(tài)，應(yīng)用于數(shù)字電路中。

　　6，電源

　　實(shí)際電路中，電源存在內(nèi)阻，相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)電阻，此時(shí)輸出電壓就會(huì)有所下降，對(duì)電路中的干擾不可忽略。

　　7，導(dǎo)線

　　實(shí)際電路中，導(dǎo)線有一定的內(nèi)阻，R=ρ·L/S，相當(dāng)與電感與電阻串聯(lián)，由于電感自身存在渦流效應(yīng)，所以在電路、尤其在高頻電路中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)線設(shè)計(jì)盡量短，盡量粗。

　　二，電路

　　1，三極管在電路中應(yīng)用

　　由金屬導(dǎo)線和電氣以及電子部件組成的導(dǎo)電回路，稱其為電路。

　　在三極管電路中，有三種工作狀態(tài)，即截止?fàn)顟B(tài)。放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。在模擬電路中常用到線性放大狀態(tài)，例如運(yùn)算放大器;在數(shù)字電路中常用到開關(guān)狀態(tài)，即截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)。如下圖，

　　2，數(shù)字地與模擬地分開

　　在高要求電路中，數(shù)字地與模擬地必需分開。即使是對(duì)于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器同一芯片上兩種“地”最好也要分開，僅在系統(tǒng)一點(diǎn)上把兩種“地”連接起來。

　　3，LDO（低壓差分穩(wěn)壓器）

　　開關(guān)性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，如圖所示，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會(huì)明顯降低。

　　4，PWM（脈沖寬度調(diào)制）

　　簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（PWM），是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

　　脈沖寬度調(diào)制是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

　　根據(jù)公式Ui-Uo=L·ΔI/Ton和公式-Uo=L·ΔI/Toff得知輸出電壓Uo

　　Uo=Ui·Ton/Toff。

　　5，濾波電容

　　在輸入電源上，數(shù)字電路干擾是一個(gè)一個(gè)小尖峰，不能用大電容濾波，只能用小電容;濾波電容一大一?。ㄐ‰娙轂V除高頻干擾，大電容濾除低頻干擾）一定要放在根部，不要放太遠(yuǎn)，也不要放在電路板背面。

　　三，結(jié)語

　　實(shí)際上，在模擬電路和數(shù)字電路中除了上述干擾現(xiàn)象，還有一些干擾是依然存在的，例如電源線電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)壓降、電路導(dǎo)線之間的相互干擾等。反映在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，其危害最大的是高頻脈沖噪聲，這些都需要我們?cè)谄綍r(shí)的電路設(shè)計(jì)中加以考慮。希望我門通過上述探討，為后續(xù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)方面的工作打下基礎(chǔ)。