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一、优雅地弄好PCB丝印

很多画PCB的人,会认为丝印不影响电路的性能,所以,对丝印并不重视。但是,对于一个专业的硬件工程师来说,必须重视这些细节。

下面介绍如何优雅地弄好PCB丝印。

1 摆放的位置

一般来说,电阻、电容、管子等器件的丝印,摆放的时候,不要使用四个方向,这样会导致调试、维修、焊接的时候,看丝印看得很累(板子要转几个方向)。

所以,建议摆放成两个方向,如下图所示。这样,将会非常方面查看丝印。

嵌入式~PCB专辑33_嵌入式硬件

如下图所示,元件附近太密集,放不下丝印的话,可以在附近空白的地方,写上丝印,标好箭头,最好再画个框,这样好辨认一些。

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2 过孔尽量不要打在丝印上

如下图所示,过孔了打在8字那里,打板回来之后,你会分不清,它是R48还是R49。

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3 丝印不要压在高速信号线上

这条建议是针对在顶层或底层的高速信号线,因为这类信号线,可以看作是微带线。

而微带线上的信号跑的速度(相速度)跟介质有关,如果丝印压到线了,如下图所示,介质将会变得不均匀,导致相速度发生变化,最终表现为阻抗不连续,影响信号质量。

当然,在内电层的信号线将不存在这种问题。

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4 丝印的阅读方向要跟使用方向要一致

如下图所示,丝印的阅读方向和芯片的使用方向一致,主要是焊接的时候,减少焊反的概率。

其它的,如:电解电容等,也可以不遵循该建议,因为你可以标明正负极性。

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5 丝印上要标清楚引脚号

如下图所示,P3接插件上,标了4个引脚号,方便调试/安装。此外,在引脚密集的地方最好也标一下,如:芯片、FPC插座等。

同时,也符合上一条建议,P3的阅读方向,跟接插件的使用方向一致。

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6 特殊封装的丝印

针对BGA、QFN这类特殊封装,丝印的尺寸要跟芯片的尺寸完全一致(如下图所示),否则,会很难对齐,从而影响焊接。

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7 安装孔的丝印

这里,在安装孔附近增加了螺丝的丝印,同时标明了长度和螺丝总数,方便安装。

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8 丝印的二义性

最常用的RS232,很多人会标注RX和TX,但是PC端也有RX和TX啊,什么时候用交叉线,什么时候用不交叉的?

这就导致了丝印产生了歧义,让人傻傻地分不清。

这里,增加了两个箭头,以指标信号的流向(如下图所示),这样,一看就知道该怎样接线了。

不光是RS232可以这样做,其它的,如:SPI等,带收发信号线的,都可以这样做。

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9 标明功能

一些用户使用的元件,如:按键、灯、旋钮等,需要写上功能、用途。如下图所示,按键为设置键,灯是状态指示灯。

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10 增加LOGO

有空间的话,可以在板子上增加公司的LOGO、防静电标志、一维码、二维码。

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有做认证的话,要加上认证的LOGO。

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有发热元件,可以加高温标志。

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有强电元件,可以加高压标志。

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二、三极管电路几种分析方法

  三极管有静态和动态两种工作状态。未加信号时三极管的直流工作状态称为静态,此时各极电流称为静态电流,给三极管加入交流信号之后的工作电流称为动态工作电流,这时三极管是交流工作状态,即动态。

    一个完整的三极管电路分析有四步:直流电路分析、交流电路分析、元器件和修理识图。

直流电路分析方法

    直流工作电压加到三极管各个电极上主要通过两条直流电路:一是三极管集电极与发射极之间的直流电路,二是基极直流电路。

    通过这一步分析可以搞清楚直流工作电压是如何加到集电极、基极和发射极上的。如图所示,是放大器直流电路分析示意图。对于一个单级放大器而言,其直流电路分析主要是图中所示的三个部分。

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   分析三极管直流电路时,由于电路中的电容具有隔直流特性,所以可以将它们看成开路,这样上图所示电路就可以画成如下图所示的直流等效电路,再用这一等效电路进行直流电路分析就相当简洁了。

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交流电路分析方法

    交流电路分析主要是交流信号的传输路线分析,即信号从哪里输入到放大器中,信号在这级放大器中具体经过了哪些元器件,信号最终从哪里输出。如图所示,是交流信号传输路线分析示意图。

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 另外还要分析信号在传输过程中受到了哪些处理,如信号在哪个环节放大,在哪个环节受到衰减,哪个环节不放大也不衰减,信号是否受到了补偿等。

    上图电路中的信号经过了C1、VT1、C2、VT2和C3,其中C1、C2和C3是耦合电容,对信号没有放大和衰减作用,只是起着将信号传输到下级电路中的耦合作用,VT1和VT2对信号起了放大作用。

元器件作用分析方法

1 元器件特性是电路分析关键

    分析电路中元器件的作用时,应依据该元器件的主要特性来进行。例如,耦合电容让交流信号无损耗的通过,而同时隔断直流通路,这一分析的理论根据是电容隔直通交特性。

2 元器件在电路中具体作用

    电路中的每个元器件都有它的特定作用,通常一个元器件起一种特定的作用,当然也有一个元器件在电路中起两个作用的。在电路分析中要求搞懂每一个元器件在电路中的具体作用。

3 元器件简化分析方法

    对元器件作用的分析可以进行简化,掌握了元器件在电路中的作用后,不必每次对各个元器件都进行详细分析。例如,掌握耦合电容的作用之后,不必对每一个耦合电容都进行分析。如图所示,是耦合电容分析示意图。

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修理识图方法

    修理识图为检修电路故障服务,这一识图要求在完全搞懂电路工作原理之后进行,否则没有意义。因为故障现象明确,因此故障检修过程中的修理识图可以有针对性的选择电路中的元器件进行,而不需要对电路中的每个元器件都进行故障分析。

    分析时,找出电路中的主要元器件,并分别假设它们出现开路、短路、阻值变大和变小等故障,分析这种故障对直流电路和交流电路的影响,从而推理出可能的故障根源。

    修理识图的关键是找出电路中关键测试点:

1 单级放大器关键测试点

    如图所示,单级放大器主要是三极管的关键测试点。

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  三极管的关键测试点用来测量三个电极的直流工作电压,其中集电极是第一测试点,其次是基极,第三是发射极。三极管放大实例电路

2 集成电路关键测试点

    集成电路关键测试点最重要的是电源引脚,还有输入信号引脚和输出信号引脚。

三极管基极偏置电路分析方法

    三极管基极偏置电路分析最为困难,掌握一些电路分析方法可以方便基极偏置电路的分析。

    第一步是在电路中找出三极管的电路符号,如图所示,然后在三极管电路符号中后找出基极,这是分析基极偏置电路的关键一步。

    第二步从基极出发,将与基极和电源端相连的所有元器件找出来,如图所示,电路中的RB1,再将基极与地端相连的所有元器件找出来,如电路中的RB2,这些元器件构成基极偏置电路的主体电路。

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  上述与基极相连的元器件中,要区别哪些元器件可能是偏置电路中的元器件。电阻器有可能构成偏置电路,电容器具有隔直作用而视为开路,所以在分析基极直流偏置电路时,不必考虑电容器。

    第三步确定偏置电路中的元器件后,进行基极电流回路的分析,如图所示。基极电流回路是:直流工作电压VCC→偏置电阻RB1→VT1基极→VT1发射极→VT1发射极电阻RE→地端

三、电容总结

  电容是电路设计中最为普通常用的器件,是无源元件之一,有源器件简单地说就是需能(电)源的器件叫有源器件, 无需能(电)源的器件就是无源器件。电容也常常在高速电路中扮演重要角色。

    电容的作用和用途,一般都有好多种。如:在旁路、去藕、滤波、储能方面的作用,在完成振荡、同步以及时间常数的作用……

    下面来详细分析一下:

1 隔直流

    作用是阻止直流通过而让交流通过。

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2 旁路(去耦)

    为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。 

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旁路电容:旁路电容,又称为退耦电容,是为某个器件提供能量的储能器件,它利用了电容的频率阻抗特性(理想电容的频率特性随频率的升高,阻抗降低),就像一个水塘,它能使输出电压输出均匀,降低负载电压波动。旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚,这是阻抗要求,在画PCB时候特别要注意,只有靠近某个元器件时候才能抑制电压或其他输信号因过大而导致的地电位抬高和噪声,说白了就是把直流电源中的交流分量,通过电容耦合到电源地中,起到了净化直流电源的作用。如下图为旁路电容,画图时候要尽量靠近IC1。

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    去藕电容:去耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象,去耦电容相当于电池,利用其充放电,使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定,去藕电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。

    旁路电容实际也是去藕合的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取 0.1F、0.01F 等;而去耦合电容的容量一般较大,可能是 10F 或者更大,依据电路中分布参数、以及驱动电流的变化大小来确定。如下图为去耦电容。

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 它们的区别: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

3 耦合

    作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路 。

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用电容做耦合的元件,是为了将前级信号传递到后一级,并且隔断前一级的直流对后一级的影响,使电路调试简单,性能稳定。

    如果不加电容交流信号放大不会改变,只是各级工作点需重新设计,由于前后级影响,调试工作点非常困难,在多级时几乎无法实现。

4 滤波

    这个对电路而言很重要,CPU背后的电容基本都是这个作用。

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   即频率f越大,电容的阻抗Z越小。当低频时,电容C由于阻抗Z比较大,有用信号可以顺利通过;当高频时,电容C由于阻抗Z已经很小了,相当于把高频噪声短路到GND上去了。

    滤波作用:理想电容,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。电解电容一般都是超过 1uF ,其中的电感成份很大,因此频率高后反而阻抗会大。我们经常看见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,其实大的电容通低频,小电容通高频,这样才能充分滤除高低频。电容频率越高时候则衰减越大,电容像一个水塘,几滴水不足以引起它的很大变化,也就是说电压波动不是你很大时候电压可以缓冲,如下图。

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5 温度补偿

    针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路的稳定性。

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分析:由于定时电容的容量决定了行振荡器的振荡频率,所以要求定时电容的容量非常稳定,不随环境湿度变化而变化,这样才能使行振荡器的振荡频率稳定。因此采用正、负温度系数的电容释联,进行温度互补。

    当工作温度升高时,Cl的容量在增大,而C2的容量在减小,两只电容并联后的总容量为两只电容容量之和,由于一个容量在增大而另一个在减小,所以总容量基本不变。

    同理,在温度降低时,一个电容的容量在减小而另一个在增大,总的容量基本不变,稳定了振荡频率,实现温度补偿目的。

6 计时

    电容器与电阻器配合使用,确定电路的时间常数。

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  输入信号由低向高跳变时,经过缓冲1后输入RC电路。电容充电的特性使B点的信号并不会跟随输入信号立即跳变,而是有一个逐渐变大的过程。当变大到一定程度时,缓冲2翻转,在输出端得到了一个延迟的由低向高的跳变。

    时间常数:以常见的 RC 串联构成积分电路为例,当输入信号电压加在输入端时,电容上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小,电阻R和电容C串联接入输入信号VI,由电容C输出信号V0,当RC (τ)数值与输入方波宽度tW之间满足:τ》》tW,这种电路称为积分电路

7 调谐

    对与频率相关的电路进行系统调谐,比如手机、收音机、电视机。

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  上图,变容二极管的调谐电路。

    因为lc调谐的振荡电路的谐振频率是lc的函数,我们发现振荡电路的最大与最小谐振频率之比随着电容比的平方根变化。此处电容比是指反偏电压最小时的电容与反偏电压最大时的电容之比。因而,电路的调谐特征曲线(偏压一谐振频率)基本上是一条抛物线。

8 整流

    在预定的时间开或者关半闭导体开关元件,桥式整流电路文章

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9 储能

    储存电能,用于必须要的时候释放。

    例如相机闪光灯,加热设备等等.(如今某些电容的储能水平己经接近锂电池的水准,一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。

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 储能作用:一般地,电解电容都会有储能的作用。对于专门的储能作用的电容,电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容,其主要形式为超级电容储能,其中超级电容器是利用双电层原理的电容器,当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。

四、关于旁路电容应用的讨论

  通过一次关于基本知识的对话,让我们深入考察那没有什么魅力但是极其关键的旁路电容和去耦电容。

    旁路电容是关注度低、没有什么魅力的元器件,一般来说,在许多专题特写中不把它作为主题,但是,它对于成功、可靠和无差错的设计是关键。

    来自Intersil公司的作者David Ritter和Tamara Schmitz参加了关于该主题的进一步对话。本文是对话的第一部分。Dave和Tamara信仰辩论的价值、教育的价值以及谦虚地深入讨论核心问题的价值。

    简而言之,为了获取知识而展开对一个问题的讨论,下面请“聆听”并学习。

David: 有一种观念认为,当我们做旁路设计时,我们对低频成分要采用大电容(微法级),而对高频成分要采用小电容(纳法或皮法级)。
Tamara: 我赞成,那有什么错吗?
David: 那听起来很好并且是有意义的,但是,问题在于当我在实验室中验证那个规则时并未得到我们想要的结果!我要向您发出挑战,Tamara博士。
Tamara: 好啊!我无所畏惧。
David: 让我们看看,你有一个电压调整器并且它需要电源。电源线具有一些串联阻抗(通常是电感以及电阻),这样对于短路来说,它在瞬间提供的电流就不会出现大变化。它需要有一个局部电容供电,旁路电容功能如下图所示。

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Tamara: 我到目前均赞成你的观点。那就是旁路的定义。Dave,接着说吧。
David: 例如,有些人可能用0.1 μF电容进行旁路。他们也可能用一个1000pF的电容紧挨着它以处理更高的频率。如果我们已经采用了一个0.1 μF的电容,那么,紧挨着它加一个1000pF电容就没有意义。它会增加1%的容值,谁会在意?
Tamara: 然而,除了电容值之外,有更多要研究的内容。这两种数值的电容均不理想。
David: 我们必须考察0.1 μF的实际电路;它存在有效串联电阻(ESR)以及有效串联电感(ESL)。
Tamara: 有时候,你还要把介质损耗一项当成一个并联电阻来考虑,旁路电容的模型如下图所示。

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David: 现在,当我们遇到具有瞬态特性的这一损耗时,我们假设0.1 μF电容的ESL远远大约1000pF的电容。我们需要某一器件在短期内供电,因ESL的存在而让0.1 μF的电容做不到这一点。假设就在于1000pF的电容具有更低的ESL,因此,能够提供更好的电流。
Tamara: ESL与你获得以及封装的电容的类型有关。其数值可能完全独立于电容本身的尺寸和数值,旁路电容的阻抗如下图所示。

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David: (显示出对年轻同事所具有的知识的惊讶)
Tamara: 我曾经看到过一些人把100 nF、10 nF和1 nF的电容分级并联起来使用,它们可能均采用相同的封装,例如0402,因为这些电容通常就是采用这种封装形式。然而,每一种0402封装均具有相同的ESL,因为它们具有相同的电感以及相同的高频响应,因此,这么安装电容于事无补。

David: 我们在实验室中所发现的问题在于,各种封装均是类似的。我们所采用的大多数陶瓷电容均为面积是0805或0603的电容。我测试发现,把0603 0.1 μF电容挨着0603 100pF电容安装,效果上不如仅仅采用两个0603 0.1 μF的电容。
Tamara: 那是完全有可能。我猜测,你所处的频率范围就是0603 0.1 μF电容被最优化的频率范围。相同尺寸和不同尺寸的电容的阻抗比较如下图所示。

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David: 是的,ESR和ESL是原数值的一半且非常管用。在这些应用中,我所研制的开关调整器的工作频率大约为1MHz。

Tamara: 在你的情况下,要调整电容的数值以及封装,以改善对你没有兴趣的那个频率范围的旁路网络。图4假设我们谈论的是相同类型的电容(陶瓷电容)。其它类型的电容—如钽电容—具有更高的ESR,因此,整个曲线突起。另一方面,有时可能全部要采用钽电容。
David: 我们现在讲讲历史。过去,人们采用他们手上能用的一切元器件。那时,你无法获得封装小的100 μF电容,你不得不通过缩短旁路电容器上的引线来改善旁路网络。当今的大电容的尺寸正逐渐缩小类似于较小电容所具有的尺寸。当你开始认真考虑选择一只0.1 μF电容时,你肯定选择0603的封装,并且,最终会选择0402封装的电容(因为我没有看过0402封装的电容,我倾向于不采用那些电容)。
Tamara: 按照分级封装的阶梯电容(stepped capacitor)的确切含义来自于赛灵思公司的讨论。他们的FPGA被用于各种各样的应用之中,并且,他们设法测试了所有的条件。因此,他们在高达5Gsps的宽频带内需要一种低阻抗电容对电源旁路。另一方面,你需要一种较低带宽的解决方案。
David: 我的评论全部来自较之于比赛灵思的速度更低的电源应用。你的辩论非常聪明,因为你指的是封装尺寸,而其他人没有那么深入的思考。他们通常说,高频需要小电容,而低频需要大电容。
Tamara: 啊,真是的,我要脸红了。
David: 我的旁路事业一直是非常令人厌烦的,因为在大多数时间内,规则就是用0.1 μF电容旁路每一个芯片,那就管用了。
Tamara: 那不仅仅与封装有关,而且还与布局有关。
David: 绝对正确!我循着电路板上的电流路线,发现电路板上存在电感。在任何电流路径上的电感与该路径的闭环面积呈正比。因此,当你围绕一个区域对元器件进行布局时,你需要把元器件紧凑地布局。那就是你为什么把元器件保持紧凑布局的原因—保持电感为低。然后,选择具有良好ESL和ESR的电容。我希望对于它有更多的设计艺术,但是,它的确是实用证明正确的少数的简单规则之一。
Tamara: 当然,你可以购买具有较低ESL和ESR的电容,但是,他们通常比标准的陶瓷电容更为昂贵。
David: 在大多数情形下,与每一块芯片尽可能接近的0.1 μF旁路电容仍然非常管用。

继续关于排版的讨论

    Tamara博士拿着一袋发着沙沙响声的书进入她的办公室,当Dave从旁边走过时她把那袋书扔在了桌子上。

Dave: 嗨,Tamara:博士,你往那里扔什么?
Tamara: 那是我们的读者邮件。
Dave: 我们收到邮件?你的意思是喜欢“来自新泽西Fort Lee的Richard Fader写道:这就是我听说的关于电容器的一切抱怨吗?”之类的邮件?
Tamara: 是的,就是那样的信件。
Dave: 关于电容器以及排版吗?
Tamara: 当然!这是一封来自Kyle(所有读者的姓名被改变,以保护他们隐私)。在高幅度射频场中,他惯常于把电容器级联起来以旁路他的电路。
Dave: 正如我们所说的,有时候你需要这么做,但是,许多时间你不需要这么做。
Tamara: 他也问到了耦合电容。看来他们在耦合电容上遇到的问题不如在旁路电容上遇到的问题大。
Dave: 是的,我已经注意到了那个问题,但是,一些人担心采用大的耦合电容,因为它太慢。我认为,他们的思路不正确。
Tamara: 在今后的讨论中我们将着手解决那个问题。这里是Carl的评价。他对我们最近关于接地平面上的电压降问题提出的解决方案感到不确定。他认为,在它(感应作用)周围或者需要磁通,或者它仅仅是一个通常很小的IR降。
Dave: 是的,我们通常在视频系统中谈到的60dB的串扰非常小,意味着有几个毫伏的有害信号。上次在例子中我们证明了,为了便于描述,我们把电路做了相当多的简化。实际电路在每一个通道具有完整的直流恢复(具有电子机械继电器),并且它是通孔元件。视频混合器的PCB排版图如下。边缘电流线显示出现串扰的可能性;带引脚的元件破坏接地层,并把电流线聚集在一起。可见,当通孔元件或过孔破坏了一个接地层时会发生什么情况。

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Tamara: 你的意思是你不用表面贴装元件,因此,接地层上充满了带引脚的元件的通孔?

Dave: 是的,来自输入的大多数回流通过围绕这个电路的窄带之中。与实体接地层相比,电阻要更大。
Tamara: 因此,边缘电路被更多地拥挤在一起。
Dave: 是的。串扰比你想像的要多。表面安装的元件对解决这个问题有很大帮助,因为它们具有更少的通孔,但是,把接地层分开是明智且容易的事情,并且不论你是否拥有大量的过孔它均能消除这个问题。视频混合电路板利用分开的接地层来把串扰最小化,如下图所示。

嵌入式~PCB专辑33_旁路电容_38

Tamara: 免费、容易且有效—听起来就像放之四海皆准的惯例。
Dave: 那真是我一直思考的事情。你在哪个领域取得了什么进展?
Tamara: 我已经跟两家电容器公司X2Y以及KEMENT的代表进行了接触。
Dave: 他们怎么想的?
Tamara: 我们在旁路电容上花费了太多的精力,你不知道你怎么想的吗?
Dave: 啊,是的,我的意思是它们仅仅是电容器。
Tamara: 他们说,我们的研究不够。我们仅仅考虑两维。他们甚至要考虑电容器内部的侧景(side view)。
Dave: 他们重视我们建议的那样的电流路径吗?
Tamara: 是的,通过减少他们的电容器的引脚的垂直封装面积,他们把等效串联电感(ESL)的标准数值从大约2nH降低为原来的1/5。
Dave: 因此,即使专业公司也重视该电流(如释重负地叹息)。我们站在可巨人的肩膀上(停顿,心不在焉地凝视远方…)
Tamara: Dave. . . . DAVE. .
Dave: 哦,对不起。那么,现在我们在哪里跟踪电流路径,Tamar博士。
Tamara: 我认为,我们需要做稍微深入的讨论,并通过一个例子分步讨论。我认为,我们的读者了解电流路径对于放置他们的旁路电容是至关重要的,但是,可能需要一个实例。让我们看看在一个简单的电路中,电流是在哪里流过的。让我们看看驱动一个负载的运放的输出。下面是一块简单的电路和电路板。
Dave: 好,让我们把讨论做的有趣一些。对于输入偏置级的电压参考来说,怎么样?
Tamara: 简单的运算放大器以及电压参考电路,如下图所示,为具有增益为2的单电源运放配置。

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Dave: 电压参考偏置均以电源电压的一半来输入以获得最佳的输入范围。

Tamara: 这次我们为排版选择采用双层电路板(上次那块板子采用四层板)。第二层几乎是完整的接地层,在输入和输出线上是两条跳线,单运放及其电压参考电路的印刷电路板排版如下图所示。

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Dave: 让我们跟踪电流的路径,在参考电压中的交流以及直流路径分别如下左右两图。

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Tamara: 工程师们有时会混淆交流以及直流路径,因此,让我们把交流高频路径标记为蓝色,而把直流路径标记为绿色。

Dave: 我要深入探讨一下。我用实线把驱动电路标出,因为它们的电流大多数在顶层流动并且回路用虚线表示,因为它们在接地层上的流动占突出地位。
Tamara: 你真厉害!
Dave: 你可能认为,参考电源仅仅是直流电源,但是,它也是放大器中交流电路的一部分。要核查在参考电路中的高频电流路径。
Tamara: 我特别想知道,无源元件的堆叠如何让你干净地引入输入线并在U2、R4、C3和C5之间共享一小块接地焊盘。
Dave: 那并没有阻止我构建一条从R3至那个输入网络的紧凑(布局很好)的反馈路径。
Tamara: 高频路径是短且紧凑的,其环路通过输出旁路电容器C5以及参考旁路电容器C3。我猜测那就是为什么你把C3放在放大器U2附近,而不是放在上面的参考芯片U1旁边。在顶层上它们甚至共享额外的接地连接。
Dave: 没错。我们想要高频电流包含小的闭合面积,这意味着电感小。为了形成对照,请参见直流电流的回路。
Tamara: 它们在整块板子上展开并且甚至似乎离开电路板的顶层。
Dave: 是!直流电流必须来自电源,那意味着它进入并离开连接器或找到它流去本地电源调整器的途径。在任一情形下,路径的面积均大。
Tamara: 那就是为什么我们在第一个地方采用旁路电容器:把高频电流保持在本地,并分流会引起大量不希望出现的电压降的感性以及阻性路径。
Dave: 现在,请看以下放大器的输出电流,在在运放中的交流以及直流路径分别如下两图所示。

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amara: 再看看在电路板顶层上展开的直流电流(在连接电源的地方),但是,在紧凑的环路中交流电流非常接近输出放大器。

Dave: 交流回路除非在接地层上展开,否则不会依靠自己或跨越它自己构成回路。那就是最小化串扰的良好实践。
Tamara: 这一次在你的接地层上没有出现你的著名的切割,为什么没有?
Dave: 那个信号的确没有机会相互作用。信号流直接从左边流向右边—输入至输出。我们没有画出输入电流路径,这留给读者做练习。
Tamara: 然而,如图2所示的接地层切割在把信号线围起来并防止边缘电流相互作用上最为有用。
Dave: 绝对正确。可是,不要忘记这整个对话是从旁路电容器开始讨论的。
Tamara: 是的,的确如此。我们能够选择正确的电容器的尺寸、类型和封装,然而,如果我们不对排版进行最优化的话,那也不会有效。
Dave: 那可能是我们能够说的最重要的事情:关于放置旁路电容器的问题几乎总是可以通过跟踪电流的路径并最小化电流的环路面积来回答。除此之外,没有更多的其它问题。

五、0Ω电阻可以过多大电流?

0Ω电阻到底能过多大电流?这个问题想必每位硬件工程师都查过。而与之相关的还有一个问题,那就是0Ω电阻的阻值到底有多大?

    这两个问题本来是很简单的,答案应该也是很明确的,但网上网友却给出了不尽相同的答案。有的人说0Ω电阻是50mΩ,还有的人说其实只有20mΩ;有的人说只能过1A电流,还有的人说可以过1.5A……

    那么,到底是多大呢?下面,我们一步一步来看。

0Ω电阻阻值大小

    针对这两个问题,我专门查了一下电阻的标准。根据EN60115-2电阻标准文件记载,0Ω电阻的阻值是0Ω,但也会有偏差。0Ω最大电阻偏差有三种可以选择,分别为10mΩ、20mΩ和50mΩ。

    也就是说,0Ω电阻偏差可以允许有多种偏差,这主要看电阻厂商做的是哪种了。

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我下载了几大品牌的,比如罗姆、国巨、光颉的普通0Ω电阻规格书查看了一下,发现它们标注的0Ω电阻,最大阻值都是50mΩ。

    由此可以得出结论:常用的普通0Ω电阻的阻值最大不超过50mΩ。

0Ω电阻的过流能力

    网上还有一种观点,认为0Ω电阻的电流是根据功率算出来的,电阻按照50mΩ来算。这样的话,0805的电阻功率一般为1/8W,算出额定电流应该是1.58A。但是,我查看规格书发现,罗姆、国巨、光颉这几大品牌的都是2A,与计算出来的有些出入。

    罗姆、国巨、光颉三大厂家的普通0Ω电阻额定电流如下:

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    从上图可以看出,三大厂家的0Ω电阻的额定电流还是略有差别的。我建议综合各家的、按照最小值来选,这样就不论什么品牌,都不会超出规格设计了。

    额定电流综合之后的表格如下:

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 我们看到,常规的电阻的电流都不大,按照综合后的最小值来选的话,最大的也就2A。如果设计电路时发现,我要用3A或4A的0Ω电阻,那该怎么办呢?其实很简单,可以用2个0Ω电阻并联起来就行了。

    说到这里,可能大家会觉得奇怪,怎么有的封装变大了,但过流并没有增加呢?例如,0805和1206都是2A,在这里应该是额定电流虽然没有增加,但瞬间电流应该是能过更大了。如果你打开国巨的电阻规格书,就会发现它写了两个参数,一个是额定电流,另一个是最大电流。额定电流都是2A,但最大电流0805是5A,1206是10A。

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注:Jumper就是0Ω电阻(标准文件就是这么写的,如下图所示)。

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特殊大额定电流的0Ω电阻

    如果是更大的电流,也是电阻可选的。不过,这些电阻就不常规了,比如这个罗姆的超低阻值电阻,最大阻值0.5mΩ,小了100倍,额定电流更是达到了20A+,但是价格比较贵,要好几毛钱,而普通电阻一分钱能买好几个。

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巧用0Ω电阻设计PCB板

    许多硬件初学者看到PCB板上用到0Ω电阻时,往往就会一脸懵圈,他们经常会问:既然这玩意儿里面啥也没有,干嘛还要用它?

    其实,0Ω电阻的用处可大了,如果用好它,可以极大地方便PCB板的设计和调试。下面,我们就来简单说说0Ω电阻的作用。

    例如,老板出于成本的考虑,让你设计一个单面板,也就是说,元器件的安装及走线都只能在一面,你最头疼的是有些线实在走不过去,必须跨线连接,打俩孔用跳线?如果在研发的时候,这种方法还是可以的,但有一天你的设计变成了产品,需要大批量生产,机器折腾起跳线来要比放置一个电阻麻烦的多,这时候0Ω电阻就能帮你大忙了!根据你的空间,可以选用0805、0603或0402的电阻。

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调试时的前后级隔离

    如果你的设计是新的,对PCB板上很多部分的功能以及能够实现的性能还不确定,拿回板子来将会面临一场惊心动魄的调试,debug的一个重要原则就是把问题限定在最小的范围内,因此多块电路之间的隔离就非常重要。

    在调试A电路时,你不希望B电路的工作影响到你的调试,那么最好的方式就是断掉它们之间的连接,而0Ω电阻就是一个最好的隔离方式!

    调试的时候不焊接,等调试完成确认这部分电路没问题了,就可以将0Ω电阻安装上。当然,在最终的产品中可以彻底去掉。

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测试电流用

    如果你想测试某一路的电流大小,一种方式是通过电压表测量该通路上某电阻两端的电压(确保电压表的内阻不要影响到测量的精度),通过欧姆定律就可以计算出该路的电流。

    另一种方式就是直接将电流表串在该回路上,因此在该电路上可以放置一个0Ω电阻,测量电流的时候用电流表两端代替该电阻,等测量完毕就能将该电阻安装上了。

给自己调试带来灵活性

    可以预留各种可能性,根据实际的需要进行选装不同的电阻,它可以替代掉跳线,避免了跳线的钻孔、安装占用比较大的空间,而且跳线也会引起高频干扰。

    比如,PCB板上设计有低通滤波器,如果发现最终不需要或者一开始调试的时候没时间调试低通滤波器,但又必须让信号流通过去,可以用0Ω电阻来代替原来设计中的电阻/电感,而不安装电容。在匹配电路参数不确定时,以0Ω电阻代替,实际调试的时候确定参数再以具体的数值的元器件来代替。

用于信号完整性的模拟地和数字地的单点连接

    有人说0Ω电阻跟没有一样,干嘛不直接连接上?想象一下,如果你在电路原理图里没有这个0Ω电阻,做PCB Layout的时候就可能忽略这个单点连接的原则,CAD软件也会乱连在一起,达不到你单点连接的初衷。

    当然,单点连接的时候也可以用磁珠,但我个人的观点是连接点的位置选择好的话,磁珠除了比电阻贵之外,没有什么好处。在实际的操作中,你可以用比较小的封装的0Ω电阻,比如0402和0201,焊接的时候直接用烙铁将两端搭接在一起就可以,这样连电阻也省了。

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增加被逆向工程的难度

    如果你在电路上放置多个不同颜色、不同封装、没有阻值标记的0Ω电阻,不影响电路的工作性能,但却可以让抄你板子的人瞬间抓狂。

    PCB板上支持不同的配置,有的版本可能有部分电路不安装,可以用它来隔离不安装的电路部分,比如iPhone中有WiFi版本和WiFi+3G版本的,用的实际上是一个设计。

     怎么样?这个0Ω电阻的作用很大吧!在以后的项目中大家慢慢体会吧,很多时候灵活应用它,会让你很多头疼的问题都能迎刃而解。

六、0欧电阻在电路中有妙用

零欧姆电阻又称为跨接电阻器,是一种特殊用途的电阻,0欧姆电阻的并非真正的阻值为零,欧姆电阻实际是电阻值很小的电阻。

    本文分析0欧电阻在电路设计中的巧妙用处。

方便兼容、调试、测试

兼容

    在设计PCB板时如果没有考虑到兼容性问题,在调试阶段可能会有不小的麻烦。

    比如芯片某引脚既能驱动蜂鸣器,又能驱动LED。

    此时可以通过焊接零欧电阻,来决定驱动蜂鸣器还是LED。

占位
    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。    

测电流

    测试电路运行时功耗的常规做法是测试电流计算功耗,而测试电流通常需要把电流表串进电路中测量。

    在电路设计阶段,在需要测量电流的地方事先放置一个零欧电阻。

    当需要测量电流时可以把这个零欧姆电阻先去掉,方便接上电流表。测完之后再把零欧姆电阻焊上即可。

便于布线

    在PCB布局布线阶段,尤其是在电路板面积小,连线多,层数少的时候。有时遇到某一根连线需要绕很大一圈才能连通,这时,可以考虑零欧电阻。

抑制电路噪声

    零欧电阻能够抑制环路电流,从而抑制噪声。零欧电阻在所有频带上其实都起到衰减噪声的作用。

提高可靠性、安全性

    零欧电阻可代替插针、拨码开关。

    在高速电路中,空置的插针相当于天线,容易使信号受到干扰。

    拨码开关有拨乱的风险,导致电路出错。

    所以,为了提高可靠性、安全性,可使用零欧电阻来代替。

充当电容或电感

    在高频信号下,充当电感或电容。

    在高频电路系统中,零欧电阻与外部电路特性匹配情况下可以充当一个小的电容或者电感。比如地与地之间,或者电源和芯片引脚之间加零欧姆电阻,可以解决EMC问题。

隔离数字地与模拟地

    在数字和模拟等混合电路中,往往要求两个地分开,并且单点连接,可以避免模拟电路和数字电路在工作时电流信号相互干扰。但是,在板级上地线最后通常是连接在一起的。此时,让模拟地和数字地先经过零欧电阻再连接在一起可以起到一定的隔离作用。

    另外,这样做还有个好处就是,地线被分成了两个网络,在大面积铺铜等处理时,就会方便得多。附带提示一下,这样的场合,有时也会用电感或者磁珠等来连接。