无源元件：电子电路设计的要点

刘刚 2023-01-04 1118

电子说

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描述

（来源：Oskars Bormanis）

使用快速处理器、具有强大计算能力的微控制器以及使用最新无线通信标准的网络设备进行设计是一项重大任务。尽管如此，音响系统设计仍需要同时使用有源和无源元件。

您可能会问自己为什么无源元件在现代设计中必不可少。由于我们大多数人都认为无线通信是理所当然的，因此频率在千兆赫兹范围内的无线电波无处不在。此外，我们在不断缩小的空间中对巨大计算能力的需求导致我们的日常设备中嵌入了高时钟频率。最后，我们的口袋里和我们周围的任何地方都有射频 (RF) 辐射。考虑到电子电路对 RF 噪声的敏感性，干扰应该很常见，从而导致故障。

那么，为什么现代电子产品能正常工作呢？答案：现代更新的无源器件有助于屏蔽敏感电子设备并将电磁干扰 (EMI)（也称为射频干扰 (RFI)）的不良影响降低到可接受的水平。无源元件随着制造技术的改进和对支持现代电子需求的基础物理学的更好理解而发展。与各种电磁设备相结合，无源元件允许高功率（有源）处理器、存储器和发射器驻留在他们的荣耀。

奇怪的是，许多工程师事后才选择无源器件是一种常见的做法。他们只是从标准组件列表中挑选它们。这种做法不足以满足高频放大器、数据转换器或其他具有挑战性的电路的要求。选择必要的无源元件以获得指定的性能水平至关重要。在这里，我们将详细说明如何为您的设计选择合适的无源元件。

无源元件的作用

电阻器、电感器、电容器、铁氧体磁珠和变压器等无源器件既不产生能量，也不需要电源来运行。根据定义，它们不会放大电信号，也无法控制电路。这些组件可以衰减或控制信号、导致相移或产生反馈。

任何现代电子系统的核心都是带有连接器以及无源和有源元件的印刷电路板 (PCB)。设备通过嵌入电路板材料（树脂等非导电材料）或放置在表面上的导电路径连接。以下是一些可最大限度减少噪声及其不利影响的基本 PCB 设计规则：

信号走线应尽可能细。为减少电容耦合（常见的噪声源），路径厚度应小于 8 毫米。

相邻迹线之间的间隔应大于迹线的宽度；否则，它们之间可能会发生严重的串扰。

急弯，例如 90 度转弯，会造成干扰，应避免。

应避免在振荡器下方运行任何迹线。

由于数字电路产生的高频数字噪声会引起各种电路的错误，因此应将数字和模拟元件充分分开。

大多数常见的 PCB 设计工具会指出违反这些规则的行为并提供替代方案。

选择无源元件

电阻器

可以说，最常见的无源元件是电阻器。它用于阻抗匹配和偏置，无论是绕线电阻、碳复合电阻还是薄膜电阻。在高频下，绕线电阻器（基本上是线圈）会产生感性。尽管薄膜电阻器由在高频下也会感性的金属薄膜环路组成，但它们仍可用于某些高频电路中。由于电阻器的端盖彼此平行，因此它们也会产生电容。高欧姆电阻器的电容似乎与其电阻并联存在。在高频下，高值电阻器可以具有较低的阻抗。

电容器

电容器本身通过两个或多个由电介质隔开的导电板以静电方式将能量存储为电荷。电子设计人员使用电容器在电源线和信号线处进行滤波和去耦。然而，在高频下，它们也往往表现得很奇怪。电解电容器和薄膜电容器会产生寄生电感和谐振，从而损害射频性能。当寄生电阻与电容器极板的电阻结合时，它们实际上会产生等效串联电阻 (ESR)。为了实现纹波和噪声抑制，去耦电容器必须具有低 ESR。极板尺寸较小的陶瓷电容器具有较小的自感。此外，它们在高频范围内提供稳定性，并为去耦集成电路提供合适的解决方案。Würth Elektronik 的WCAP-CSRF具有 0.20pf 至 33pF 电容范围和 25V DC至 50V DC额定电压。由于高温级铝/钽电容器（例如Würth Elektronik的H-Chip 铝聚合物电容器）具有稳定的温度和偏置特性，因此这些器件非常适用于去耦电源线。

电感器

另一种不同类型的储能装置是电感器，基本上是一个线圈。理想的电感器可以无限期地存储并且不会散失热量；该设备称为无损。实际上，电感器具有不理想的特性。每根导线都有一个特定的电阻，随着导线的匝数接触，寄生谐振电容形成并限制上限频率。Würth Elektronik 的WE-MK多层电感器系列是一种热稳定性非常高的电感器，在 -40°C 至 +120°C 的温度范围内几乎没有电感变化。

结论

有源和无源元件的正确组合是良好系统设计的关键。使用从电源引脚到地的并联电容器可最大限度地减少噪声。并联设置的不同电容值可在很宽的频率范围内实现低交流阻抗。由于在较低频率下，较大值的电容器呈现低阻抗接地路径，因此可以通过使用其他值来获得频率范围内的低阻抗。通过适当考虑选择无源和有源元件，可以消除高频设计中任何不必要的寄生效应。

审核编辑 hhy

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