邵小桃-电磁兼容和PCB设计Chp3课件

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）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.SMT的技术特点3.2无源元件的频率响应临界频率:在EMC中0.6in1.5cm30.0cm1000MHz3in7.5cm1.50m200MHz5.9in0.15m3.00m100MHz5ft1.50m30.0m10MHz/20/20频率(f)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,记为铜的趋肤深度0.00053mm1GHz0.0017mm100MHz0.0053mm10MHz1.7mm100Hzff越高，越小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）……低频:电阻特性等效电抗高频等效电路：L:引线电感C:寄生电容LCRL频率特性F(frequency)ZFrIdealResistor绕线电阻(wirewound)例.金属电阻引线长度1.27cm,导线用AWG14,整个并联电容为0.3pF,电阻值是10Kohms,200MHz的等效RF阻抗是多少?解:

=8.7nH200MHz:=10.93ohms=2653ohms=1890.5ohmsLCRL3.电容（1）用途：去耦、旁路、谐振电路、滤波等（2）电容器的种类金属薄膜电容有管脚，包括径向引线和轴向引线

多层陶瓷贴片电容（1206，0805，0603，0402）钽电解电容独石（陶瓷）电容－COG(NPO)，X7R,Y5V(Z5U)涤纶电容低频:电容特性高频:频率超过自谐振频率,呈感性电容高频等效电路：RpLCRs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F(frequency)ZFrCapacitiveInductiveRs+RpIdealCapacitor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）频率特性低频:电感特性当频率很高时,呈断路高频:RsCdLRs:串联电阻Cd:分布电容电路品质因素:Q越大,电感越好F(frequency)ZFrCapacitiveInductiveIdealInductor（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.变压器低频: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，当频率升高，电容耦合增加，相互干扰增加F(frequency)Z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=20fPR。电磁兼容角度应该考虑的最高频率:逻辑系列提供的上升/下降时间tr/tf主要谐波分量F=1/πtrEMI的典型频率Fmax=10xF74Lxxx31~35ns10MHz100MHz74Cxxx25~60ns13MHz130MHz74HCxxx13~15ns24MHz240MHz74xxx10~20ns32MHz320MHzFlip-flop15~22ns21MHz210MHz74LSxxx9.5ns34MHz340MHzFlip-flop13~15ns24MHz240MHz74Hxxx4~6ns80MHz800MHz74Sxxx3~4ns106MHz1.1GHz74HCTxxx5~15ns64MHz640MHz74ALSxxx2~10ns160MHz1.6GHz74ACTxxx2~5ns160MHz1.6Hz74Fxxx1.5~1.6ns212MHz2.1GHzECL10K1.5ns212MHz2.1GHzECL100K0.75ns424MHz4.2GHzBTL1.0ns318MHz3.2GHzLVDS0.3ns1.1GHz11GHzGaAs0.3ns1.1GHz11GHzGTL0.3ns1.1GHz11GHzIncluding:SMD:SurfaceMountDeviceSMC:SurfaceMountComponentSMB:SurfaceMountBoard高密度高速度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-SurfaceMountTechnology）SMT新技术keypoints:2.元件的封装DIP（Dualin-linepackage,双列直插）SMT(Surfacemount,表面贴)如，PLCC(plasticleadedchipcarrier)SOP(SmallOutlinePackage)小外形封装

PQFP(PlasticQuadFlatPackage塑料四方引出扁平封装TQFP(ThinQuadFlatPackage)薄型四方扁平封装VQFP(VeryThinQuadFlatPackage),LQFP(LowQuadFlatPackage)PGA(PinGridArray),针栅阵列封装BGA(BallGridArray),球栅阵列封装CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)芯片尺寸封装MCM(MultiChipModel)多芯片模块封装BareDie(裸芯片）等DIP-tab

DIPPLCCCLCCLCCJLCCSOPTSOPHSOP28SOJSOHPQFPQFPTQFPLQFPPGABGAPackage导线长度电感14pinDIP2.0~10.2nH20pinDIP3.4~13.7nH40pinDIP4.4~21.7nH20pinPLCC3.5~6.3nH28pinPLCC3.7~7.8nH44pinPLCC4.3~6.1nH68pinPLCC5.3~8.9nH14pinSOIC2.6~3.6nH20pinSOIC4.9~8.5nH40pinTAB1.2~2.5nH624pinCBGA0.5~4.7nH

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（thermalrelief）（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,transistor…)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（KHZ~MHZ）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）功能、封装、材料、运行速度、边沿速率等。封装:SMT>>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CPURAMI/ODriversBusBusBusPowerConnector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