快捷搜索:  test  as

数字电路中尖峰电流的形成原理解析

尖峰电流的形成:

数字电路输出高电日常平凡从电源拉出的电流Ioh和低电平输出时注意灌输的电流Iol的大年夜小一样平常是不合的,即:Iol>Ioh。以下图的TTL与非门为例阐明尖峰电流的形成:

输出电压如右图(a)所示,理论上电源电流的波形如右图(b),而实际的电源电流保险如右图(c)。由图(c)可以看出在输出由低电平转换到高电日常平凡电源电流有一个短暂而幅度很大年夜的尖峰。尖峰电源电流的波形随所用器件的类型和输出端所接的电容负载而异。

孕育发生尖峰电流的主要缘故原由是:

输出级的T3、T4管短设计内同时导通。在与非门由输出低电平转向高电平的历程中,输入电压的负跳变在T2和T3的基极回路内孕育发生很大年夜的反向驱动电流,因为T3的饱和深度设计得比T2大年夜,反向驱动电流将使T2首先离开饱和而截止。T2截止后,其集电极电位上升,使T4导通。可是此时T3还未离开饱和,是以在极短得设计内T3和T4将同时导通,从而孕育发生很大年夜的ic4,使电源电流形成尖峰电流。图中的R4恰是为了限定此尖峰电流而设计。

低功耗型TTL门电路中的R4较大年夜,是以其尖峰电流较小。当输入电压由低电平变为高电日常平凡,与非门输出电平由高变低,这时T3、T4也可能同时导通。但当T3开始进入导通时,T4处于放大年夜状态,两管的集-射间电压较大年夜,故所孕育发生的尖峰电流较小,对电源电流孕育发生的影响相对较小。

孕育发生尖峰电流的另一个缘故原由是负载电容的影响。与非门输出端实际上存在负载电容CL,当门的输出由低转换到高时,电源电压由T4对电容CL充电,是以形成尖峰电流。

当与非门的输出由高电平转换到低电日常平凡,电容CL经由过程T3放电。此时放电电流不经由过程电源,故CL的放电电流对电源电流无影响。

尖峰电流的抑制措施:

1、在电路板布线上采取步伐,使旌旗灯号线的杂散电容降到最小;

2、 另一种措施是设法低落供电电源的内阻,使尖峰电流不至于引起过大年夜的电源电压颠簸;

3、 平日的作法是应用去耦电容来滤波,一样平常是在电路板的电源进口处放一个1uF~10uF的去耦电容,滤除低频噪声;在电路板内的每一个有源器件的电源和地之间放置一个0.01uF~0.1uF的去耦电容(高频滤波电容),用于滤除高频噪声。滤波的目的是要滤除叠加在电源上的交流滋扰,但并不是应用的电容容量越大年夜越好,由于实际的电容并不是抱负电容,不具备抱负电容的所有特点。

去耦电容的拔取可按C=1/F谋略,此中F为电路频率,即10MHz取0.1uF,100MHz取0.01uF。一样平常取0.1~0.01uF均可。

放置在有源器件傍的高频滤波电容的感化有两个,其一是滤除沿电源传导过来的高频滋扰,其二是及时弥补器件高速事情时所需的尖峰电流。以是电容的放置位置是必要斟酌的。

实际的电容因为存在寄生参数,可等效为串联在电容上的电阻电感,将其称为等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。这样,实际的电容便是一个串联谐振电路,其谐振频率为:

实际的电容在低于Fr的频率出现容性,而在高于Fr的频率上则出现感性,以是电容更象是一个带阻滤波器

10uF的电解电容因为其ESL较大年夜,Fr小于1MHz,对付50Hz这样的低频噪声有较好的滤波效果,对上百兆的高频开关噪声则没有什么感化。

电容的ESR和ESL是由电容的布局和所用的介质抉择的,而不是电容量。经由过程应用更大年夜容量的电容并不能前进抑制高频滋扰的能力,同类型的电容,在低于Fr的频率下,大年夜容量的比小容量的阻抗小,但假如频率高于Fr,ESL抉择了两者的阻抗不会有什么差别。

电路板上应用过多的大年夜容量电容对付滤除高频滋扰并没有什么赞助,分外是应用高频开关电源供电时。另一个问题是,大年夜容量电容过多,增添了上电及热插拔电路板时对电源的冲击,轻易引起如电源电压下跌、电路板接插件打火、电路板内电压上升慢等问题。

PCB结构时去耦电容摆放

对付电容的安装,首先要提到的便是安装间隔。容值最小的电容,有最高的谐振频率,去耦半径最小,是以放在最接近芯片的位置。容值稍大年夜些的可以间隔稍远,最外层放置容值最大年夜的。然则,所有对该芯片去耦的电容都只管即便接近芯片。

下面的图1便是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大年夜致遵照10倍等级关系。

还有一点要留意,在放置时,最好平均散播在芯片的四周,对每一个容值等级都要这样。平日芯片在设计的时刻就斟酌到了电源和地引脚的排列位置,一样平常都是平均散播在芯片的四个边上的。是以,电压扰动在芯片的四周都存在,去耦也必须对全部芯片所在区域平均去耦。假如把上图中的680pF电容都放在芯片的上部,因为存在去耦半径问题,那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。

电容的安装

在安装电容时,要从焊盘拉出一小段引出线,然后经由过程过孔和电源平面连接,接地端也是同样。这样流经电容的电流回路为:电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面,图2直不雅的显示了电流的回流路径。

第一种措施从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔,这会引入很大年夜的寄生电感,必然要避免这样做,这是最糟糕的安装要领。

第二种措施在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔,比第一种措施路面积小得多,寄生电感也较小,可以吸收。

第三种在焊盘侧面打孔,进一步减小了回路面积,寄生电感比第二种更小,是对照好的措施。

第四种在焊盘两侧都打孔,和第三种措施比拟,相称于电容每一端都是经由过程过孔的并联接入电源平面和地平面,比第三种寄生电感更小,只要空间容许,只管即便用这种措施。着末一种措施在焊盘上直接打孔,寄生电感最小,然则焊接是可能会呈现问题,是否应用要看加工能力和要领。

必要强调一点:有些工程师为了节省空间,无意偶尔让多个电容应用公共过孔,任何环境下都不要这样做。最好设法主见子优化电容组合的设计,削减电容数量。

因为印制线越宽,电感越小,从焊盘到过孔的引出线只管即便加宽,假如可能,只管即便和焊盘宽度相同。这样纵然是0402封装的电容,你也可以应用20mil宽的引出线。引出线和过孔安装如图4所示,留意图中的各类尺寸。

责任编辑;zl

您可能还会对下面的文章感兴趣: