电路设计大全:上/下拉电阻、串联匹配/0Ω电阻、磁珠、电感应用

2017-05-02  by:CAE仿真在线  来源:互联网

一、定义:

1、上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平!电阻同时起限流作用!下拉同理

2、上拉是对器件注入电流,下拉是输出电流

3、弱强只是上拉电阻的阻值不同,没有什么严格区分

4、对于非集电极(或漏极)开路输出型电路(如普通门电路)提升电流和电压的能力是有限的,上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道

二、拉电阻作用:

1、一般作单键触发使用时,如果IC本身没有内接电阻,为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态,必须在IC外部另接一电阻。

2、数字电路有三种状态:高电平、低电平、和高阻状态,有些应用场合不希望出现高阻状态,可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使处于稳定状态,具体视设计要求而定!

3、一般说的是I/O端口,有的可以设置,有的不可以设置,有的是内置,有的是需要外接,I/O端口的输出类似与一个三极管的C,当C接通过一个电阻和电源连接在一起的时候,该电阻成为上C拉电阻,也就是说,如果该端口正常时为高电平,C通过一个电阻和地连接在一起的时候,该电阻称为下拉电阻,使该端口平时为低电平,其作用主要是确保某端口常态时有确定电平:用法示例:当一个接有上拉电阻的端口设为输入状态时,他的常态就为高电平,用于检测低电平的输入。

4、上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流,下拉电阻是用来吸收电流的,也就是我们通常所说的灌电流。

5、接电阻就是为了防止输入端悬空。

6、减弱外部电流对芯片产生的干扰。

7、保护cmos内的保护二极管,一般电流不大于10mA。

8、通过上拉或下拉来增加或减小驱动电流。

9、改变电平的电位,常用在TTL-CMOS匹配。

10、在引脚悬空时有确定的状态。

11、增加高电平输出时的驱动能力。

12、为OC门提供电流。

三、上拉电阻应用原则:

1、当TTL电路驱动COMS电路时,若TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V),这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻,以提高输出高电平值。注:此时上拉电阻连接的电压值应不低于CMOS电路的最低高电压,同时又要考虑TTL电路方电流(如某端口最大输入或输出电流)的影响。

2、OC门电路必须加上拉电阻,才能使用。

3、为加大输出引脚的驱动能力,有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

4、在COMS芯片上,为了防止静电造成损坏,不用的管脚不能悬空,一般接上拉电阻产生降低输入阻抗, 提供泄荷通路。

5、芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平,从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

6、提高总线的抗电磁干扰能力,管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰,加上下拉电阻是电阻匹配,有效的抑制反射波干扰。

8、在数字电路中不用的输入脚都要接固定电平,通过1k电阻接高电平或接地。

四、上拉电阻阻值选择原则:

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大;电阻大,电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小;电阻小,电流大。

3、对于高速电路,过大的上拉电阻可能边沿变平缓。

综合考虑以上三点,通常在1k到10k之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

对上拉电阻和下拉电阻的选择应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定,主要需要考虑以下几个因素:

1、驱动能力与功耗的平衡。以上拉电阻为例,一般地说,上拉电阻越小,驱动能力越强,但功耗越大,设计是应注意两者之间的均衡。

2、下级电路的驱动需求。同样以上拉电阻为例,当输出高电平时,开关管断开,上拉电阻应适当选择以能够向下级电路提供足够的电流。

3、高低电平的设定。不同电路的高低电平的门槛电平会有不同,电阻应适当设定以确保能输出正确的电平。以上拉电阻为例,当输出低电平时,开关管导通,上拉电阻和开关管导通电阻分压值应确保在零电平门槛之下。

4、频率特性。以上拉电阻为例,上拉电阻和开关管漏源级之间的电容和下级电路之间的输入电容会形成RC延迟,电阻越大,延迟越大。上拉电阻的设定应考虑电路在这方面的需求。

在集成电路中, 吸电流、拉电流输出和灌电流输出是一个很重要的概念。

拉电流:拉即泄,主动输出电流,是从输出口输出电流。

灌电流:灌即充,被动输入电流,是从输出端口流入

吸电流:吸则是主动吸入电流,是从输入端口流入

吸电流和灌电流就是从芯片外电路通过引脚流入芯片内的电流,区别在于吸收电流是主动,从芯片输入端流入的叫吸收电流。灌入电流是被动的,从输出端流入叫灌入电流。

拉电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流,灌电流时输出低电平是外部给数字电路的输入电流,它们实际就是输入、输出电流能力。

吸收电流是对输入端(输入端吸入)而言的;而拉电流(输出端流出)和灌电流(输出端被灌入)是相对输出端而言的。

在电路设计中,经常需要使用匹配电阻,如闭路电视同轴电缆、时钟数据线等,如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递 不过去,降低效率;会在传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损 坏发射设备。

关于串联匹配电阻其作用:

1、概述:

高速信号线中才考虑使用这样的电阻,低频情况下,一般是直接连接。这个电阻有两个作用:

①阻抗匹配:因为信号源的阻抗很低,跟信号线之间阻抗不匹配,串上一个电阻后,可改善匹配情况,以减少反射,避免振荡等。

②减少信号边沿的陡峭程度:可以减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲等。因为串联的电阻,跟信号线的分布电容以及负载的输入电容等形成一个 RC 电路,这样就会降低信号边沿的陡峭程度大家知道,如果一个信号的边沿非常陡峭,含有大量的高频成分,将会辐射干扰,另外,也容易产生过冲。

2、 详述(阻抗匹配)

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。

阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。

我们先从直流电压源驱动一个负载入手,由于实际的电压源,总是有内阻的,我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为: I=U/(R+r)

可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。

负载R上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)]

负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。

再来计算一下电阻R消耗的功率为:

P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2R×r+r2)=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}

对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的注意式中[(R-r)2/R],当R=r时,[(R-r)2/R]可取得最小值0,这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相 等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配。

匹配电阻下低频电路与高频电路的比较:

①、在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑(可以这么理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的)。

从以上分析我们可以得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。

注:有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我们也会叫做阻抗失配。

②、在高频电路中,我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时,则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射。

为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法,牵涉到二阶偏微分方程的求解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理 论传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构以及材料决定的,而与传输线的长度,以及信号的幅度、频率等均无关。

例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线, 这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω,所以300Ω的馈线将与其不能匹配实际中是如何解决 这个问题的呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中,有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的那个东东,大概有 两个大拇指那么大)它里面其实就是一个传输线变压器,将300Ω的阻抗,变换成75Ω的,这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗 匹配。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等。

当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?

①、可以考虑使用变压器来做阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样。

②、可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。

③、可以考虑使用串联/并联电阻的办法,一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻。而一 些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。

为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:假设你在练习拳击——打沙包如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包,你打上去会感觉很舒服但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产生很大的反弹力相 反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。

另一个例子,不知道大家有没有过这样的经历:就是看不清楼梯时上/下楼梯,当你以为还有楼梯时,就会出现“负载不匹配”这样的感觉了当然,也许这样的例子不太恰当,但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况

附:浅谈四层板和33欧电阻

选用四层板不仅是电源和地的问题,高速数字电路对走线的阻抗有要求,二层板不好控制阻抗。33欧电阻一般加在驱动器端,也是起阻抗匹配作用的;布线时要先布数据地址线,和需要保证的高速线。

在高频的时候,PCB板上的走线都要看成传输线。传输线有其特征阻抗,学过传输线理论的都知道,当传输线上某处出现阻抗突变(不匹配)时,信号通过就会发生 反射,反射对原信号造成干扰,严重时就会影响电路的正常工作采用四层板时,通常外层走信号线,中间两层分别为电源和地平面,这样一方面隔离了两个信号层, 更重要的是外层的走线与它们所靠近的平面形成称为“微带”(microstrip) 的传输线,它的阻抗比较固定,而且可以计算。对于两层板就比较难以做到这样。这种传输线阻抗主要与走线的宽度、到参考平面的距离、敷铜的厚度以及介电材料 的特性有关,有许多现成的公式和程序可供计算。

33欧电阻通常串连放在驱动的一端(其实不一定33欧,从几欧到五、六十欧都有,视电路具体情况) ,其作用是与发送器的输出阻抗串连后与走线的阻抗匹配,使反射回来(假设解收端阻抗没有匹配)的信号不会再次反射回去(吸收掉),这样接收端的信号就不会受到影响。接收端也可以作匹配,例如采用电阻并联,但在数字系统比较少用,因为比较麻烦,而且 很多时候是一发多收,如地址总线,不如源端匹配易做。

注:这里所说的高频,不一定是时钟频率很高的电路,是不是高频不止看频率,更重要是看信号的上升下降时间。通常可以用上升(或下降)时间估计电路的频率,一般取上升时间倒数的一半,比如如果上升时间是1ns,那么它的倒数是1000MHz,也就是说在设计电路是要按500MHz的频带来考虑。有时候要故意减慢边缘时间,许多高速IC其驱动器的输出斜率是可调的。

一、0欧姆电阻

电路设计中常见到0欧的电阻,大家往往会很迷惑:既然是0欧的电阻,那就是导线,为何要装上它呢?还有这样的电阻市场上有卖吗?其实0欧的电阻还是蛮有用的。大概有以下几个功能,其最重要且经常用的功能是:

重点介绍:模拟地和数字地单点接地

只要是地,最终都要接到一起,然后入大地。如果不接在一起就是“浮地”,存在压差,容易积累电荷,造成静电。地是参考0电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。人们认为大地能够吸收所有电荷,始终维持稳定,是最终的地参考点。虽然有些板子没有接大地,但发电厂是接大地的,板子上的电源最终还是会返回发电厂入地。如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,理由如上有四种方法解决此问题:

①、用磁珠连接; 

②、用电容连接;

③、用电感连接;

④、用0欧姆电阻连接。 

区别:

①、磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。

②、电容隔直通交,造成浮地。

③、电感体积大,杂散参数多,不稳定。

④、0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。

0 欧姆电阻的其它作用

①、在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。

②、可以做跳线用,如果某段线路不用,直接不贴该电阻即可(不影响外观)。

③、在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆代替,实际调试的时候,确定参数,再以具体数值的元件代替。

④、测某部分电路的耗电流的时候,可以去掉0ohm电阻,接上电流表,这样方便测耗电流。、  

⑤、布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻、  

⑥、在高频信号下,充当电感或电容。(与外部电路特性有关)电感用,主要是解决EMC问题。如地与地,电源和IC、Pin间、  

⑦、单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统。)、  

⑧、熔丝作用、  

⑨、跨接时用于电流回路

当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接0欧电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。 

⑩、配置电路

一般,产品上不要出现跳线和拨码开关。有时用户会乱动设置,易引起误会,为了减少维护费用,应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。空置跳线在高频时相当于天线,用贴片电阻效果好。

⑾、其他用途 

布线时跨线、调试/测试用、临时取代其他贴片器件、作为温度补偿器件,更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要挖孔),还有就是不同尺寸0欧电阻允许通过电流不同,一般0603的1A,0805、的2A,所以不同电流会选用不同尺寸的。还有就是为磁珠、电感等预留位置时,得根据磁珠、电感的大小还做封装,所以0603、0805等不同尺寸的都有了。

附:1欧姆电阻的作用

1欧姆电阻在电路中经常是用来测试的,比如,需要测一个电路中的电流时,我们可以在该电路中串一个1欧姆电阻,测量其两端的电压即是该电路的电流(I=U/R,因为R=1,所以测出的电压值即是电流值)。

二、磁珠:

磁珠专用于抑制信信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠是用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种蓄能元件,用在LC振荡电路,中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHZ。、磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。

磁珠的功能:主要是消除存在于传输线结构(电路)中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分,直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射(EMI)。要消除这些不需要的信号能量,使用片式磁珠扮演高频电阻的角色(衰减器),该器件允许直流信号通过,而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上,然而,低频信号也会受到片式磁珠的影响。

磁珠有很高的电阻率和磁导率,它等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。、它比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。、

作为电源滤波,可以使用电感。磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了。

注:磁珠的单位是欧姆,而不是亨利,这一点要特别注意。

三、电感

电感是闭合回路的一种属性。当线圈通过电流后,在线圈中形成磁场感应,感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗,也就是电感,单位是“亨利(H)”。

注:关于电感只在此简要介绍,此内容会在后文中体现。

磁珠和电感的区别

电感是储能元件,而磁珠是能量转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路,侧重于抑止传导性干扰;磁珠多用于信号回路,主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号,象一些RF电路,PLL,振荡电路,含超高频存储器电路(DDR,SDRAM,RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠,而电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等,其应用频率范围很少超过50MHz。在电路功能上,磁珠和电感是原理相同的,只是频率特性不同罢了。

注:主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。以下介绍基于电容常用功能,详细介绍各功能应用。

电容特性:通交流阻直流,通高频阻低频!

电容在大家平时的电路设计中是不可缺少的,但是很多的人都会进入一个电容使用的误区,就是电容的容值越大越好,滤波效果越好。其实并不是这样的,简单的说,就是大容值电容滤低频噪声,小容值电容滤高频噪声。

电 容的工作的实质是充电和放电的过程。以电容不存储任何电量为初始状态,大容值的电容在电路中达到与电路中的电压平衡需要充入的电荷量就要多,就需要更长的 时间,低频噪声能够满足其时间上的要求,但如果放在高频率噪声的电路中,频率高,大容值电容的充放电反应不过来,达不到滤波的目的,这时候就要采用小容值 的电容。小容值的电容,充放电时间短,能够满足滤波的目的。总之,滤波的频率随电容值的增大而减少。所以在使用时要根据自己的电路的需要选取合适的容值, 达到想要的滤波目的,又减少了成本。

在电路中最常见到的电容使用方法是“去耦电容”和“旁路电容”。作为无源元件之一的电容,其作用不外乎以下几种:

1、应用于电源电路,实现旁路、去藕、滤波和储能方面电容的作用,下面分类详述之:

① 滤波

滤 波是电容的作用中很重要的一部分。几乎所有的电源电路中都会用到。从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。但实际上超 过1uF 的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容,这时大电容通低频,小电容 通高频。电容越大低频越容易通过,电容越小高频越容易通过。

以上图为例:C5将滤除前一级U2输出中的低频成分、C7滤除其高频成分,C3、C4类似。

曾 有网友将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变,由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象的说电容像个水塘,不会因几滴水的加入或蒸发而 引起水量的变化。 电容把电压的变动转化为电流的变化,频率越高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。注:滤波就是充电,放电的过程。

② 旁路

旁路电容一般接在信号端与地之间,主要功能是产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的能量。

旁 路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容,其电容值取决于PCB 板上的瞬态电流需求,一般在10 至470μF 范围内。若PCB 板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源,则应选择大容量的电容。旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低 负载需求。就像小型可充电电池一样,旁路被充电,并向器件进行放电。

注:为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致地电位抬高和噪声。

③ 去藕

去耦电容实际上是根据电容的使用的实际效果来命名的,一般接在电源线和地线之间,起作用主要有两方面:滤波作用和蓄能作用。

具体的作用结合以下几点来解释:

1、 当电源引进电路时,电源的电压不是恒定的,是处在一个相对稳定的状态,其中带有很多的噪声,如果让这些噪声进入到电路中就会对电路造成影响,特别是对电压 敏感的器件对电路电压的稳定性要求更高,以及有用到作为参考电压的一端,影响其精确性,所以加电容能能保证电路的线性关系。(简单的理解就是电压多了我就 吸收,少了我就补充,保持在一个平衡的状态)

2、有源器件在开关时产生高频的开关噪声,将会沿着电源线传播,这时电容提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在电源线的传播,并将噪声接引到地。

3、 在空间中存在很多的电磁波,往往会干扰到芯片工作的稳定性,芯片周围的去耦电容能够很好的滤除这些干扰,从另一方面说,高频电路中,导线产生的电感效应对 电流的阻碍作用是很大的,会导致电流不足,如果器件在这时候刚好就需要足够的电流驱动,就不能及时供给,这时,去耦电容中储存的能量就能及时的补充这些不 足,保证器件正常的工作。

注:在电路电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,就是称呼的不一样,旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源,这是他们的本质区别。

④ 储能

储 能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40~450VDC、电容值在220~150 000uF之间的铝电解电容器(如EPCOS公司的 B43504或B43505)是较为常用的。根据不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式, 对于功率级超过10KW的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。

2、应用于信号电路,主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用:

① 耦合

举 个例子来讲,晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻,它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合,这个电阻就是产生了耦合的元件,如果在 这个电阻两端并联一个电容,由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应,故称此电容为去耦电容。

② 振荡/同步

包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。

③ 时间常数

这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时,电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公式描述:

一、电感的定义:

电感是导线内通过交流电流时,在导线的内部及其周围产生交变磁通,导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。

当电感中通过直流电流时,其周围只呈现固定的磁力线,不随时间而变化;可是当在线圈中通过交流电流时,其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电磁感应定律——磁生电来分析,变化的磁力线在线圈两端会产生感应电势,此感应电势相当于一个“新电源”。当形成闭合回路时,此感应电势就要产生感应电流。由楞次定律知道感应电流所产生的磁力线总量要力图阻止原来磁力线的变化的。由于原来磁力线变化来源于外加交变电源的变化,故从客观效果看,电感线圈有阻止交流电路中电流变化的特性。电感线圈有与力学中的惯性相类似的特性,在电学上取名为“自感应”,通常在拉开闸刀开关或接通闸刀开关的瞬间,会发生火花,这就是自感现象产生很高的感应电势所造成的。

总之,当电感线圈接到交流电源上时,线圈内部的磁力线将随电流的交变而时刻在变化着,致使线圈不断产生电磁感应。这种因线圈本身电流的变化而产生的电动势 ,称为“自感电动势”。

由此可见,电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量,它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。

二、电感的作用

基本作用:滤波、振荡、延迟、陷波、储能、互感等

形象说法:通直流,阻交流

细化解说:在电子线路中,电感线圈对交流有限流作用,它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等;变压器可以

进行交流耦合、变压、变流和阻抗变换等。

三、电感的应用

电感元件产生电动势总是组织线圈中的电流变化的,故电感元件对电流有阻力作用,阻力的大小用感抗XL来衡量。感抗XL与交流电的频率及电感量的大小有关。感抗的这种关系可用下式表示,即:

XL=2∏fL,式中:f——交流电频率(Hz) L——电感元件的电感量(H)

从上式可以看出,电感元件在低频时XL较小,通过直流电时,由于f=0,故XL=0,仅线圈直流电阻起作用,因此电阻很小,近似电感元件短路。所以,电感元件在直流电路中一般不用其感抗性能当电感元件,在高频下工作时,XL很大,近似开路。电感元件的这种特性与电容器正好相反,所以利用电感、电容就可组成各种高频、低频滤波器、调谐回路、选频电路、振荡回路、延迟回路及阻流器等,在电路中发挥着重要作用。

下面举出一些电感元件在电路中的应用实例。

1. 分频网络

左图是音响电路的分频电路图。电感线圈L1和L2为空心密绕线圈,它们与C1、C2组成分频网络,对高低音进行分频,以改善放音效果。

2. 滤波电路

右图是电子管扩音机的电源滤波电路图。图中L为插有硅钢片的铁心线圈,又称为低频扼流圈。它在电路中的作用是阻止参与交流电通过,而仅让直流电通过。

3. 选频与阻流

下图所示电路是单管半导体收音机电路。其中VT,为高频半导体管,它是用来进行放大的L1为天线线圈,它在磁棒上用多股导线绕制而成的。L1与C1、C2组成并联谐振电路,对磁棒天线接收到的无线电信号进行选频,选出的信号由L1感应到L2,由VT1进行放大,放大了的信号送到L3,L3为一固定电感器,它的电感量为3mH,其作用是利用感抗阻止高频信号进入耳机,而只让音频信号通过,因此把L3称为高频阻流圈。L3对500kHz高频信号的感抗很大,而L3对10kHz低频信号的感抗很小,只有音频信号可以通畅地经过L3到达耳机,从而使我们可以听到电台的播音。

4. 与电容器组成振荡回路

下图所示电路是超外差半导体收音机中的变频器电路。L4为振荡线圈,它与C1b组成本机振荡回路,L3为反馈线圈。本机振荡的信号由C2传送入VT1发射极,与由L1、C1a选择出来的广播信号在VT1内进行混频,混频后的信号从集电极输出,并由中频变压器T2检出465kHz中频信号送往中频放大器。

5. 补偿电路

利用电感器的感抗随频率变化的特性,可进行频率补偿。下图是某电视机的视放电路,某高频补偿电路由L15、L16与VT15的集电极负载R80串联,使总的负载阻抗为Z=R80+XL16,频率越高,感抗XL16越大,使高频增益增大。同时L16与显像管的输入电容和分布电容形成并联谐振。选取合适的L16值,使其谐振在放大器增益衰减的频率上,可以提高谐振点上的增益。L15串联在VT15与显像管阴极之间,当频率增加时,感抗XL15增大,使R80与XL15的并联阻抗增大,即高频负载电阻增加,也会起到提高高频增益的作用。

6. 延迟作用

电感线圈在电路中还可起到延迟作用,使输出的信号与输入的信号基本不变,而只使输出延迟一段时间,即信号的幅度不变,而仅相位发生变化。

下图所示电路是彩色电视机亮度延迟线的典型应用电路,其中DL301为亮度延迟线。亮度延迟线为特殊的电感器件,它的电感量由延迟时间和信号频率确定

为了保证彩色电视信号中的亮度信号与色度信号叠加同步,亮度延迟线会将亮度信号延迟0.6us。

附:电感线圈与变压器的区别

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