搜索
GreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu1电子系统设计：干扰控制技术１引言每个电气工程师和技术人员都希望他所设计的设备的成本比预期的低、进度提前、工作可靠，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。如果不能在有限的时间内解决这些问题，我们可能必须放弃这些项目或者采取修修补补的办法，浪费了我们投资项目的所有时间、金钱和努力。例如，如果数字系统超过联邦通信委员会（ＦＣＣ）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ＶＤＥ０８７１是最严格的一个。在美国，军用设备必须满足ＭＩＬ－ＳＴＤ－４６１。大多数电气工程课程和书籍不是忽略了电气噪声，就是将讨论局限于热噪声。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：（１）调试需要比预期长得多的时间；（２）设计师的信心受到挫伤，（３）解决问题需要的干扰掏器件使制造成本提高１０～１５％。在我工作的早期，我发现了一个较好的办法：从开始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：（１）理解干扰问题的类型，（２）设计电路时使这些问题减小到最小，（３）设计线路板、电缆的结构尽量消除这些问题，必要时，使用干扰抑制器件。（４）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。通过一开始就正确地设计系统，我经常提前完成任务，成本也较低，自我感觉良好。这本书包含了我作为实践电气工程师工作了１４成取得了广泛（有些是代价昂贵的）的经验，通过与合作者的讨论，和三年对电气干扰控制方法的研究成果。第２章到第４章概括了干扰的产生、接收的耦合途径。第５章到第８章概括了减小干扰问题的技术。第９章到第１５章的概括减小干扰的物理设计技术。第１６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详细资料和设计选择。作为本书研究的一部分，我在全国１８个大技术图书馆搜集了资料，总共研读了１１公斤以上的书籍、杂志、和会议录。在这些材料中，我发现了有关干扰控制的１８０本书籍，７３篇技术报告，和２３００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：HenryW.Ott的NoiseReduvtionTechni-quesinElecronicSystems,p，这本书全面概括了避免电气干扰问题的设计技术，是我发现的最好的参考书。WilliamR.Blood的MECLsystemDesignHandbook,这本书对高速系统的设计作了详细论述。ＲＫennethKeenan的DigitalDesignforInterfe-renceSpecifications,这本书论述了数字系统中的干扰控制技术。DonaldR.J.Whit-erHandbookSeriesonElectromagneticInterferenceandCompatibility,Volum3,这本书论述了在系统中确定干扰问题的技术。Ｆiltron公司的技术报告：InterferenceReductionGuideforDesignEngineersVolum1,提供了射频干扰控制设计的丰富数据，包括设计数据的图和表。这个领域内两本很好的杂志是ＥＭＣTechnology和ＩＥＥＥＴransactionsonElectromagneticCompatibility。GreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu2２无源器件许多电气教科书中假设电阻、电容和电感是线性的，其阻抗为：Ｚ＝Ｖ／Ｉ＝ＲΩ对于电阻Ｚ＝Ｖ／Ｉ＝Ｉ／j２πfCΩ对于电容Ｚ＝Ｖ／Ｉ＝j２πfＬΩ对于电感式中：f的单位是赫兹（图２－１），Ｚ、Ｖ、Ｉ是矢量。然而，在实际中,所有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２－１理想器件的阻抗特性图２－２是实际电阻的集总阻抗模型。Ｒ是期望的电阻值，Ｌs是寄生串联电感，单位是亨利，Ｃp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２－２实际电阻的集总阻抗模型图２－３是实际电阻的典型的阻抗－频率曲线。注意两个明显的特性：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，但随后升高，然后下降。如果试验各种不同的Ｒ、Ｌs、Ｃp，我们发现Ｒ≈１．５５（Ｌs／Ｃp）１／２Ω是在阻抗曲线中不会产生尖峰的最低阻抗值。因此将：Ｒc＝１．５５（Ｌs／Ｃp）１／２Ω定义为电阻的临界值。如果电阻的阻值大于Ｒc，其阻抗约为：f≤１／２πＲＣp赫兹时｜Ｚ｜≈Ｒ图２－３实际电阻的阻抗f＞１／２πＲＣp赫兹时｜Ｚ｜≈１／２πfＣp如果电阻的阻值Ｒ＜Ｒc,则Ｌs和Cp会在fc=1/[2π(Ls/Cp)1/2]赫兹处谐振。这时电阻的阻抗大约为：f≤1/2πLs赫兹时｜Ｚ｜≈ＲＲ／２πLs≤f＜fc/3赫兹时｜Ｚ｜≈２πfLsGreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu3当f=fc时，阻值增加为：当f＜３fc时，阻值降低为：｜Ｚ｜≈１／２πfＣp表２－１是常用电阻的寄生电感、寄生电容和谐振频率的范围。通常，为了避免较大的阻抗偏移，我们希望电阻的谐振频率远高于电路的工作频率。表２－１常用电阻寄生电感寄生电容和谐振频率的范围电阻类型Ls(nH)Cp(pF)fc(MHz)金属碳复合碳膜金属膜表面安装绕线绕线（无感）３～105～3015～70015～7000.2～347～250002～6000.1～1.00.1～1.50.1～0.80.1～0.80.01～0.082～140.1～5500～3000750～2000300～1500300～1500500～40008～20090～1500图２－４是实际电容的集总阻抗模型。Ｃ是希望的容值，单位是法拉第Ｌs是寄生电感，单位是亨利。Ｒs是串联电阻，单位是欧姆。Ｒp是漏电阻，单位是欧姆。所有这些参数都是电容引线和内部结构产生的。在频率f处，电容的阻抗为：图2-4实际电容的集总阻抗模型图２－５是实际电容器的阻抗－频率曲线典型值。如果电容的串联电阻大，阻抗在谐振点fc=1/[2πCLs]1/2附近平坦。如果电容的串联电阻小，在谐振点阻抗曲线尖锐。如果仔细研究电容阻抗的方程式，就会发现当Ｒs＝１.41(Ls/C)1/2欧姆时，电容特性（ffc）与电感特性(ffc)之间的过渡最短，并且最平坦。所以将：Ｒc＝１.41(Ls/Cp)1/2定义为电容的临界串联电阻。如果电容的串联电阻大于Ｒc，则它的阻抗大约为：当f1/2πＲsCHz时，｜Ｚ｜≈１／２πfC当１／２πＲsC≤f≤Rs/2πLsHz时，图２－５实际电容的阻抗GreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu4｜Ｚ｜≈Ｒs当fRs/2πLs时，｜Ｚ｜≈１／２πfLs如果ＲsＲc，Ｃ与Ｌs会在fc附近谐振，这时的阻抗为：当ffc/3Hz时，｜Ｚ｜≈１／２πfc当f=fcHz时，｜Ｚ｜≈Rs当f3fcHz时，｜Ｚ｜≈２πfLc表２－２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围。我们通常希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提供输入、输出端的隔离。５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。通过采用差分信号、保持输出阻抗低于１ＫΩ、负载阻抗大于３００Ω后,拾取的噪声能被减小。高增益放大器在１０ＫＨｚ至５ＫＨｚ频率范围内趋于振荡,所以反馈环路应当设计成能在最差情况下防止这些振荡的发生。如果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５－１给出运算放大器的推荐旁路电路。每５个运放的Ｖ＋和Ｖ－应各有一个１至１０μＦ钽电解旁路电容器。每个运算放大器还应采用陶瓷电容器将它的Ｖ＋和Ｖ－插针与输出信号回线连接起来。这些旁路电容应当是０.１μＦ或至少为负载电容的１００倍，两者取较大的一个。旁路不足常引起振振荡或“卜卜”声。（注意：如果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１Ω电阻，以减小高频振铃）。图５－１推荐的运放旁路电路图５－２给出推荐的多级放大器的去耦电容器。Ｒ１和Ｒ２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。多级放大器的理想布局为一直线，使输入级和输出级尽可能远离。图５－２推荐的多级放大器去耦电容如果运算放大器直接驱动电抗性负载（图５－３中的ＬＬ和ＣＬ），则几乎肯定会振荡。在运放的输出线上串联一个小阻尼电阻（图５－３（a），ＲＬ≥２（ＬＬ／ＣＬ）１／２欧姆或的氧体磁珠，就能抑制这些振荡。图５－３运算放大器驱动电抗性负载GreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu5如果运放驱动容性负载，也会发生振荡。图５－４介绍倒相放大器抑制振荡的两种方法。Ｒ１和Ｒ２用来调节放大器的增益。Ｒ３≈（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）为任选，但它有助于平衡两运放的输入偏置电流，而且如果Ｒ３接近Ｒ１，有助于抵消输入电路中感应的任何热温差电压。在图５－４（a）中，增加Ｃ１≥１５（Ｒ１／Ｒ２）pF，可在几乎所有负载条件下保持放大器稳定。在图５－４（b）中，增加了一个远大于运放输出电阻的电阻器Ｒ４和Ｃ２≥ＣＬ（Ｒ４／Ｒ２）,使得在所有负载条件下，放大器都稳定工作。图５－４倒相放大器驱动电容性负载图５－５介绍了非倒相放大器避免振荡的四种方法。在图５－５（a）中，Ｒ５和Ｃ３延迟输入信号，所以运放能向ＣＬ充电而不饱和。在图５－５（b）中，Ｒ６和Ｃ４减小运放的高频增益而不影响其直流增益。如图５－５（c）中，Ｒ７和Ｃ５＞＞Ｃp（这里Ｃp是结点上的杂散电容）使运放成为无条件稳定的积分器。在图５－５（d）中，增加Ｃ６≈Ｃp（Ｒ１／Ｒ２），得到一个与反馈环路中的电阻性分压器（Ｒ１和Ｒ２）相并联的容性分压器。检验放大器稳定性的好办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≈２００mＶ步进（常规负载端接）。如果输出端的过冲低于４０％，则电路是稳定的。图５－５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。交流耦合输入端应用牵引电阻（图５－６（a）中的Ｒ１和Ｒ２）,以提供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激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Ｒ－Ｃ滤波器使栅极信号展宽而被抑制。如果信号必须非常快速地转换，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（图５－６（c）中，Ｒ４＝Ｒ６，Ｒ５＝Ｒ７）将抵消电荷转移。GreatGeneralTechnology,INC.GGTReportbySammyLu6图５－６开关模拟信号１９７８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－１２Ｖ至＋３００Ｖ的约３０种模拟信号，其模拟输入电路板额定电压±５Ｖ。为了保护昂贵的模拟电路板，我决定用廉价的运放阻尼所有模拟信号。图５－７介绍了我以前设计的非倒相放大器（用于信号低于±４Ｖ）和倒相放大器（用于信号超过±４Ｖ）。按照初始结构设计，我预期输出电缆约两米长。图５－７有条件稳定放大器７.接口电路设计：电子系统和“实际世界”之间的接口，要特别注意许多噪声源。输入／输出装置通常独