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如何合理選擇電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的EMI濾波

長(zhǎng)期以來(lái),一直使用旁路和去耦電容來(lái)減小PCB上產(chǎn)生的各種噪聲,也。由于成本相對(duì)較低,使用容易,還有一系列的量值可選用,電容器常常是電路板上用來(lái)減小電磁干擾(EMI)的主要器件。由于寄生參數(shù)具有重要的影響,故電容器的選擇要比其容量的選擇更為重要。制造電容器的方法很多,制造工藝決定了寄生參數(shù)的大小。

 

電氣器噪聲可以以許多不同的方式引起。在數(shù)字電路中,這些噪聲主要由開(kāi)關(guān)式集成電路,電源和調(diào)整器所產(chǎn)生,而在射頻電路中則主要由振蕩器以及放大電路產(chǎn)生。無(wú)論是電源和地平面上,還是信號(hào)線自身上的這些干擾都將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的工作形成影響,另外還會(huì)產(chǎn)生輻射。

 

本文將重點(diǎn)討論多層陶瓷電容器,包括表面貼裝和引腳兩種類型。討論如何計(jì)算這些簡(jiǎn)單器件的阻抗和插入損耗之間的相互關(guān)系。文中還介紹了一些改進(jìn)型規(guī)格的測(cè)試,如引線電感和低頻電感,另外,還給出了等效電路模型。這些模型都是根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出的,還介紹了相關(guān)的測(cè)試技術(shù)。針對(duì)不同的制造工藝,測(cè)試了這些寄生參數(shù),并繪制出了相應(yīng)的阻抗曲線。

 

阻抗和插入損耗

所幸的是,電容器還算簡(jiǎn)單的器件。由于電容器是一個(gè)雙端口器件,故僅有一種方法與傳輸線并接。不要將該器件看作一只電容器,更容易的方法是將其看作為一個(gè)阻抗模塊。當(dāng)其與傳輸線并聯(lián)時(shí),甚至可以將其視作為一個(gè)導(dǎo)納模塊(見(jiàn)圖1)。

 

圖1:將電容器視作為阻抗模塊。
圖1:將電容器視作為阻抗模塊。

 

這種連接方式的ABCD參數(shù)可以表示為:

然后,利用ABCD參數(shù)和散射(S)參數(shù)之間的關(guān)系,可以得到插入損耗S21的幅度為:

 

式中,Z??=阻抗幅度

Z0=傳輸線阻抗

??=阻抗模塊的相角

 

有一些插入點(diǎn)可以來(lái)觀察方程2。首先,對(duì)于一個(gè)高性能的陶瓷電容器來(lái)說(shuō),其相角在整個(gè)頻段中都非常接近±90°,只有諧振點(diǎn)附近除外(見(jiàn)圖2)。

 

 

圖2:1000-pF陶瓷電容器的典型阻抗幅相特性。
圖2:1000-pF陶瓷電容器的典型阻抗幅相特性。

 

已知±90°的余弦接近0,故方程2可以被簡(jiǎn)化為:

 

故該相角可以被忽略,并且在絕大多數(shù)的頻譜上都能給出較好的結(jié)果。另一個(gè)很好的近似是當(dāng)Z0>>?Z??時(shí),方程3可以被進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

 

作為一個(gè)例子,表1中給出了對(duì)一只1000-pF的旁路電容器測(cè)出的阻抗及由此計(jì)算出來(lái)的插入損耗。所有的插入損耗數(shù)據(jù)都基于50歐阻抗。如表中所給出,一旦電容器的阻抗開(kāi)始增加到50歐,方程3將快速發(fā)生突變。

 

表1:1000-pF旁路電容器的阻抗和求得的插入損耗。
表1:1000-pF旁路電容器的阻抗和求得的插入損耗。

 

這些方程中的唯一問(wèn)題就是需要知道一系列不同電容值的阻抗。


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