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为说明公共阻抗耦合噪声对受扰电路影响,我们可以简单的直流电路、图1所示等效电路为例加以说明。回路1、回路2有一公共阻抗
当
当
以上的计算说明,由于存在公共阻抗R3,回路2负载变化会对回路1产生很大影响,即回路2(噪声源)对回路1产生干扰。
串联方式接地形成公共阻抗耦合电路如图2所示。阻抗Z1为回路1、回路2、回路3的公共阻抗,阻抗Z2为回路2、回路3的公共阻抗,也就是说各个电路的接地点A、B、C都不是真正的零电位。这样,任何一个电路的地线上电流发生变化,都会影响其他电路而成为噪声源,如电路1的对地电压
为消除干扰,采用一点接地方式,如图1中虚线所示。
抗干扰旁路电容形成干扰等效电路如图3所示。旁路电容本应起抗干扰作用,由于存在公共阻抗Zc,产生意想不到的前后级耦合,使电路产生自激振荡。
导线电感形成的公共阻抗耦合如图4所示。当骚扰源与敏感设备共用一个接地时,于骚扰源的输出电流流过公共地阻抗,在敏感设备的输入端产生电压。公共阻抗仅是由一段导线或印制板的印制导线产生的,导线阻抗是电感性,当传输信号为高频或高电流变化率(
由于公共阻抗问题在地线系统中格外突出,因此在下面的叙述中均以地线为例,但是其中一些结论对其他公共阻抗问题也是适用的。
串联型地线系统如图5所示。
并联型地线系统的结构如图6所示。即每一个模块的地线都直接与地线相连。
并联型地线的优点是可以减小地线之间的交叉干扰,但必须保证总的地线有足够小的阻抗(主要是感抗)。但并联型地线需要使用很多导线,在PCB上需善占用更多的面积。
公共阻抗耦合方式是干扰源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合。公共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定。例如,电源线和接地线的电阻、电感在一定的条件下会形成公共阻抗;一个电源电路对几个电路供电时,如果电源不是内阻抗为零的理想电压源,则其内阻抗就成为接受供电的几个电路的公共阻抗。只要其中某一电路的电流发生变化,便会使其他电路的供电电压发生变化,形成公共阻抗耦合。公共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时,一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。
常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。为了防止公共阻抗耦合,应使耦合阻抗趋近于零,通过耦合阻抗上的干扰电流和产生的干扰电压将消失。此时,有效回路与干扰回路即使存在电气连接(在一点上),它们彼此也不再互相干扰,这种情况通常称为电路去耦,即没有任何公共阻抗耦合的存在。
电源公共阻抗上的信号交叉干扰问题是公共阻抗信号交叉干扰中最普遍和最突出的,原因如下。
(1)电源线通常都要从PCB的插脚上引人,因此电源线比较长,导致电源上的公共阻抗比较大(如引线电感,电源内阻以及插脚的接触电阻等)。
(2)电源线中流经的电流比较大,因此在公共阻抗上产生的电压降也比较大。
(3)电源线上挂的负载最多,其中流经的电流形式繁多,且又经常在变化。对于高速变化的电流而言,电源线公共阻抗中的感抗部分显著增大,即使公共阻抗的幅度增大,各模块之间交叉影响的概率也显著增大。
低压母线阻抗及相保阻抗
mΩ /m TMY 200 3(40×4)+1(40×4) 0.1119 250 3(40×4)+1(40×4) 0.1119 315 3(50×5)+1(50×5) 0.0728 400 3(63×6.3)+1(63×6.3) 0.0471 500 3(80×6.3)+1(63×6.3) 0.0383 630 3(80×8)+1(63×6.3) 0.031 800 3(100×8)+1(80×6.3) 0.0257 1000 3(125×10)+1(80×8) 0.0177 1250 3*2(100×10)+1(100× 10) 0.0109 1600 3*2(125×10)+1(125× 10) 0.0089 2000 3*2(125×10)+1(125× 10) 0.0089 变压器容 量KVA 母线规格 mm Rm D=150 D=250 D=350 mΩ /m mΩ /m mΩ
导线阻抗
排名 电线类型 导线类型 单位长度电阻 1 ZRYJLW1600 ZRYJLW1600_2352 1 2 ZRYJLW1600 ZRYJLW1600_2350 1 3 ZRYJLW1600 ZRYJLW1600 1 4 ZRYJL1600 ZRYJL1600 1 5 ZR1600 ZR1600 1 6 ZC-YJLW02-Z-1200 ZC-YJLW02-Z-1200_1597 1 7 YJVW02(03)/110 800 YJVW02(03)/110 800平行 0.0221 8 YJVW02(03)/110 800 YJVW02(03)/110 800品行 0.0221 9 YJVW02(03)/110 800 YJVW02(03)/110 800_431 0.0221 10 YJVW02(03)/110 800 YJVW02(03)/110 800_430 0.0221 11 YJV
输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。
输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样,它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题。)另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑 阻抗匹配问题。
无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计最特别需要注意。
但现实中的电压源,则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r,就是(信号源/放大器输出/电源)的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I×r的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面的“阻抗匹配”一问)。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。
据信号的传输理论,信号是时间、距离变量的函数,因此信号在连线上的每一部分都有可能变化。因此确定连线的交流阻抗,即电压的变化和电流的变化之比为传输线的特性阻抗(Characteristic Impedance):传输线的特性阻抗只与信号连线本身的特性相关。在实际电路中,导线本身电阻值小于系统的分布阻抗,犹其 是高频电路中,特性阻抗主要取决于连线的单位分布电容和单位分布电感带来的分布阻抗。理想传输线的特性阻抗只取决于连线的单位分布电容和单位分布电感。
印制电路板上导线的特性阻抗是电路设计的一个重要指标,特别是在高频电路的PCB设计中,必须考虑导线的特性阻抗和器件或信号所要求的特性阻抗是否一致,是否匹配。因此,在PCB设计的可靠性设计中有两个概念是必须注意的。