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1、第 3 章 元件与电磁兼容,电磁兼容与PCB设计,元器件概术 无源元件的频率响应 有源器件与电磁兼容 元器件的选择,本章内容,3.1 元器件概述,（1）数字器件,定义： 数字器件由与、或、非门等逻辑单元构成。以数字信号为处理对象，是典型的有源器件，其噪声容限较高。,典型的数字器件： 门电路、计数器、译码器、编码器、寄存器、触发器、PLD、CPLD、FPGA、DSP、MCU、CPU、RAM、ROM等。,（2）模拟器件,定义： 以模拟信号为处理对象，即对模拟电压、电流信号进行处理。,典型的模拟器件： 电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、功放管、稳压管、传感器、运算放大器等。,（3）无源器件
2、,定义： 不依靠外加电源（直流或交流）的存在就能表现出其外特性的器件。,典型的无源器件： 部分模拟器件（如电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、功放管、稳压管、传感器 ）,（4）有源器件,定义： 必须外加电源才能正常工作的器件。如晶体管以及以它为基本单元构成的集成电路。,典型的有源器件：,数字器件（门电路、计数器、寄存器、触发器、PLD、CPLD、FPGA、DSP、MCU、CPU、RAM、ROM等）和部分模拟器件（如运算放大器、继电器等）。,2. 元器件的组装技术,（1）组装密度高、体积小、重量轻 （2）可靠性高、抗振能力强 （3）高频特性好 （4）易于实现自动化 （5）降低成本,3.
3、SMT的技术特点,3.2 无源元件的频率响应,1. 导线,低频: 低电阻特性 高频: 电感特性,直导线的电感 (引线自感)：,临界频率:,在 EMC 中,当天线的长度 有效辐射体,趋肤效应,当导体内部的电磁场和电流的大小减小到导体表面值37% (1/e)时, 该点到导体表面的距离称为趋肤深度, 记为,2. 电阻,（1） 材料: 碳质、碳薄膜、 云母、绕线,（2） 种类： 片状薄膜电阻 （1206，0805，0603，0402） 绕线功率电阻 （滑动变阻器） 水泥电阻 （耐高温、高压，适用于大功率负载） 金属膜电阻 （常用有管脚，有彩色线圈） ,（3）主要参数,电阻的精度 电阻的精度表示电阻的标
4、称值与实际值的精确度。,电阻额定功率 在标准大气压和常温下，电阻元件能够长期连续负荷而不 改变电气性能所允许的消耗功率称为电阻的额定功率。,电阻的温度系数,电阻的噪声 电阻的噪声是由电阻元件产生和造成的噪声。,等效电抗,频率特性,例. 金属电阻引线长度1.27 cm , 导线用 AWG14, 整个并联电容为 0.3 pF , 电阻值是10K ohms, 200MHz 的等效RF 阻抗是多少?,解:,= 8.7nH,= 2653 ohms,= 1890.5 ohms,3. 电容,（1）用途：去耦、旁路、谐振电路、滤波等,（2）电容器的种类,（3）主要参数,电容器的标称容量和允许误差,电容器的耐压
5、,电容器的温度系数,电容器的漏电流和绝缘电阻,电容器的损耗,有效串联电阻 ESR 为Rs ,Rp 的等效阻抗,电路品质因素: , Q越大, 电容越好,频率特性,平板电容器:,自由空间介电常数,A : 平板电容器的面积 d : 两个平板之间的距离 : 介电常数,4. 电感,（1）种类： 片状电感 磁珠,（2）频率特性,当频率很高时, 呈断路,（3）主要参数,电感量 电感量L表示线圈本身固有的特性，与电流的大小无关。电感量一般不专门标注在线圈上，而以特定的名称标注。,感抗 感抗XL表示电感线圈对交流的阻碍作用。,品质因素 品质因素Q是表征线圈质量的一个物理量。,分布电容 分布电容表示线圈的匝与匝间
6、、线圈与屏蔽罩间、线圈与底板间存在的电容。,（3）共模扼流圈,电路图,结构图,铁镁合金或铁镍合金，通常在高频下应用。 包括磁珠、磁环、SMD,（4）铁氧体：,低频：电阻被电感短路, 呈电感特性， R+jwL,高频：电感阻抗很高, 电流全部流过电阻, 呈电抗特性， jwL,- 铁氧体 抑制传导和辐射的方式 （提供高阻抗减小高频电流） 用作电感，构成低通滤波器， 高频损耗大 直接用于元器件的引线或线路上,Note: 铁氧体初始磁导率越大，抑制的频率范围越高 仅量安装在接近骚扰源的地方,5. 变压器,用途: 供电、数字信号隔离、电源接口、 共模隔离,变压器初级线圈和次级线圈之间有电容耦合， 当频率升
7、高，电容耦合增加，相互干扰增加,高频:,3.3 有源器件与电磁兼容,1. 边沿速率,边沿速率指信号逻辑状态转换的时间dV/dt，即数字信号上升沿（tr）或下降沿（tf）的时间。,脉冲的前沿与脉冲高频能量的关系,梯形脉冲的周期信号，上升时间为tr，脉冲宽度为tp； 梯形脉冲频谱包络示意图,数字电路的时钟频率或脉冲的重复频率fPR， 也可由fmax = 20 fPR 。,电磁兼容角度应该考虑的最高频率:,Including: SMD: Surface Mount Device SMC: Surface Mount Component SMB: Surface Mount Board,高密度 高速度
8、 细间距 多引脚 高可靠组装设计,（1）元件的封装- 表面安装技术 （SMT- Surface Mount Technology）,SMT新技术 key points:,2. 元件的封装,DIP（Dual in-line package,双列直插） SMT(Surface mount,表面贴) 如， PLCC (plastic leaded chip carrier) SOP (Small Outline Package)小外形封装 PQFP (Plastic Quad Flat Package 塑料四方引出扁平封装 TQFP (Thin Quad Flat Package )薄型四方扁平封装
9、 VQFP (Very Thin Quad Flat Package), LQFP (Low Quad Flat Package ) PGA (Pin Grid Array) , 针栅阵列封装 BGA (Ball Grid Array), 球栅阵列封装 CSP (Chip Size Package 或 Chip Scale Package) 芯片尺寸封装 MCM (Multi Chip Model) 多芯片模块封装 Bare Die (裸芯片）等,DIP-tab,DIP,PLCC,CLCC,LCC,JLCC,SOP,TSOP,HSOP28,SOJ,SOH,PQFP,QFP,TQFP,LQFP,
10、PGA,BGA,SMT 优于 DIP: 封装大小减小 40% 引线电感 减小 64% 元件连线长度减小 环路面积减小,（2）不同逻辑包的导线长度电感比较：,无源元件：,高速贴片机 波峰焊,有源元件：,直接组装芯片 封装器件和丝焊 芯片规模封装 （CSP） 网阵焊球封装,Problem: 散热问题（thermal relief）,（3）表面安装技术在贴装和焊接方法中有两点：,（4）元件封装与辐射,E为环行天线产生的场强（V/m）， r为发射回路与接收天线间的距离（m），f为频率（MHz）， Is为电流（mA），A为环路面积（ ）,L:天线长度（m）,3. 接地散热器,中央处理器（CPU）和超大规
11、模集成电路需要更广泛的高频去耦及接地技术，以达到良好的散热效果。,可以消除封装内部产生的热量； 可以防止处理器内部时钟脉冲电路产生的射频能量辐射到自由空间或耦合到相邻的元件； 相当于一个共模去耦电容器，可以将处理器产生的射频电流分流到接地面。,接地散热器的作用包括以下几点：,时钟源的电源滤波,5. 集成电路中的辐射,RLC电路； 电容器和铁氧体磁环组成的电路。,缩小封装的外壳尺寸（减小天线的有效辐射面积）； 降低芯片结构中所产生的RF射频能量； 将芯片中产生的辐射噪声与IC中任何连接外电路的管脚相隔离。,3.4 元器件的选择,（1）基本元件： (R, L, C, diode, transist
12、or) 功能、封装、材料 R: SMT 优于引脚电阻。 碳膜电阻 金属膜电阻 线绕电阻 C: 铝电解电容、钽电解电容适用于低频终端 陶质电容适用于中频终端 （KHZMHZ） 低损耗陶质电容和云母电容适用于高频和微波电路 L: SMT与引线电感性能差别不大。闭环优于开环。（图） 开环电感绕轴式比棒式或螺线管式好 （图）,1. 元件的正确选择,（2）集成电路 ( IC ) 功能、封装、运行速度、边沿速率、输入能量消耗、 时钟偏移、引线电容、接地散热等 元件的边沿速率：电压或电流单位时间内改变的速率 。 IC制造商减小尺寸以达到在单位硅片上增加更多部件，减小尺寸会使晶体管更快，虽然IC运行速度没有增
13、加，但元件的边沿速率会增加，其谐波分量使频率值上升。 （3） 微控制器电路 ( MCU ) 功能、封装、运行速度、边沿速率、I/O引脚、IRQ、 复位引脚、振荡器,2. IC中的辐射考虑,（1）IC设计期望目标： 无限小的上升时间（零上升时间） 无限制的输出驱动（无限制的功率输出）,（2）不兼容IC的PCB设计技术： 保持较短的引线长度（减小输出回路面积） 时钟信号远离I/O电路和线路（防止耦合） 通过串联阻抗（电阻器或铁氧体磁环）提高时钟线路的输出阻抗,3. 元件辐射的大小变迁：,最高 频率/速率,最低 频率/速率,CPU,RAM,I/O,Drivers,Bus,Bus,Bus,Power
14、Connector,选用外形尺寸非常小的SMT或者BGA封装； 选用芯片内部的PCB具有电源层和接地层的多层PCB设计； 选用在逻辑状态变换过程中输入电流消耗更小的逻辑器件； 尽量选用相同系列的逻辑器件； 使用满足功能要求的速率尽可能低的逻辑器件； 选用电源和接地管脚位于封装中央，并且彼此临近的逻辑器件；,在元器件的选用上应注意以下几点:,选用多个电源管脚和地管脚成对配置的芯片； 选用信号返回管脚（如地）与信号管脚之间均匀分布的芯片； 选用对类似时钟信号的关键信号，有专门的信号返回管脚芯片； 选用在IC封装内部使用高频去耦电容的IC芯片； 使用具有金属外壳的器件。如将振荡器的金属外壳或封装尽可能多的通过低阻抗连线连接到0V参考面； 对具有金属封装和顶部金属芯的器件，提供接地散热器的芯片。,
