电路设计

<strong>电容器的选择关键</strong>

针对任何应用选择电容器时，必须了解一些关键特性，以便分析其电路适用性。在简单的电容器等效电路模型中，三个关键特性影响电路性能：

电容、等效串联电阻（ESR）和电感。

本技术说明中，我们将研究钽电容器的ESR如何影响电路性能。ESR是构成电容器阻抗所有纯阻性负载的总和。因此，这是一种热损耗特性。电容器工作时，还会影响充放电电流的大小。在固体钽电容器中，ESR由以下几个部分的阻抗构成：

Q：我为应用选择的放大器的数据手册同时规定了小信号带宽和大信号带宽，它们是相当不同的规格。我如何确定信号是小信号还是大信号？

A：当谈到放大器的带宽时，我们讨论的其实是使用小信号模型的放大器频率响应。该模型的导出前提是电路在偏置点周围是线性的；换言之，其增益保持恒定，与施加的信号无关。如果信号足够小，该模型会非常有效，其与实际情况的偏差几乎难以检测。

所有人都喜欢使用这个模型，因为它简化了设计和分析过程。如果使用大信号模型——即包括所有非线性方程——电路将变得复杂无比，至少对我这样的凡人是如此。因此，小信号模型和正弦信号将复杂性降低到一个可处理的水平。

但严格说来，即便最小的实际信号也会稍稍改变晶体管电路（例如运算放大器）的偏置点。信号越大，就越难以忽略非线性效应，其最明显的表现是失真。在某一点，由于信号过快且过大，使得放大器达到其压摆率限值——相当于放大器输出的最大变化率，通常用V/µs表示。压摆率达到限值之后，放大器就会落后，当信号开始斜坡下降时，放大器尚未达到信号峰值，最后的结果便是信号幅度比预期要小。在该点时，放大器大致达到了大信号带宽。

在MCU、DSP等应用中，广泛使用的看门狗（Watch Dog）电路，又称电压监控器电路。本文总结了看门狗电路应用中的一些基本技巧和注意事项。

<strong>1、系统电压</strong>

选择看门狗依据系统内部的电压轨，也就是根据MCU或DSP的驱动电压来选择电压监控器。

<strong>2、看门狗输入端（WDI）</strong>

一旦MCU无法正常工作，而且其片内看门狗功能也无法复位，软件会进入死循环。这时，具有集成看门狗功能的监控器可触发复位，从而提高系统的可靠性。

<strong>3、手动复位（MR）功能</strong>

借助该功能，可对电路进行手动复位或者通过应用中的另一个器件来主动控制监控器电路。

<strong>4、有效高电平输出</strong>

如果处理器需要采用有效高电平复位输入，无需增加额外的器件就可实现。

<strong>5、电源故障输入/输出（PFI/PFO）</strong>

利用该比较器能够提供更大的灵活性，例如用来实现电池电量的长时间监测和电压跌落预警。

在电路设计中，一般我们很关心信号的质量问题，但有时我们往往局限在信号线上进行研究，而把电源和地当成理想的情况来处理，虽然这样做能使问题简化，但在高速设计中，这种简化已经是行不通的了。尽管电路设计比较直接的结果是从信号完整性上表现出来的，但我们绝不能因此忽略了电源完整性设计。因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。电源完整性和信号完整性二者是密切关联的，而且很多情况下，影响信号畸变的主要原因是电源系统。例如，地反弹噪声太大、去耦电容的设计不合适、回路影响很严重、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、电流不均匀等等。

<strong>1）电源分配系统</strong>

电源完整性设计是一件十分复杂的事情，但是如何控制电源系统（电源和地平面）之间的阻抗是设计的关键。理论上讲，电源系统间的阻抗越低越好，阻抗越低、噪声幅度越小，电压损耗越小。实际设计中，我们可以通过规定最大的电压和电源变化范围来确定我们希望达到的目标阻抗，然后通过调整电路中的相关因素使电源系统各部分的阻抗（与频率有关）目标阻抗去逼近。

<strong>2）地反弹</strong>

针对任何应用选择电容器时，必须了解一些关键特性，以便分析其电路适用性。在简单的电容器等效电路模型中，三个关键特性影响电路性能：电容、等效串联电阻（ESR）和电感。这些元件的大小以及随温度、频率和施加电压的变化，对于每种电容器技术而言是不同的。

本技术说明中，我们将研究钽电容器的ESR如何影响电路性能。ESR是构成电容器阻抗的所有纯阻性负载的总和。因此，这是一种热损耗特性。电容器工作时，还会影响充放电电流的大小。在固体钽电容器中，构成ESR成分是以下方面的阻抗：

● 固体电解质系统（MnOn₂）

● 介电层（Ta₂O₅）

● 端子、引线框和其它他连接PCB的元器件

固体钽电容器制造商可在物理设计和材料方面做出改进，降低电容器的整体ESR。这些ESR较低的电容器可以减少电容器内部产生的热量，从而提高整体电路效率和长期可靠性。降低ESR还可以增加电容器充放电期间的电流，从而提高电路性能。常见的阻抗（Z）和ESR数据典型值如图1所示。

波峰焊是指将熔化的软钎焊料（铅锡合金），经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。

波峰焊随着人们对环境保护意识的增强有了新的焊接工艺。以前采用的是锡铅合金，但是铅是重金属对人体有很大的伤害。于是促生了无铅工艺，采用锡银铜合金和特殊的助焊剂，而且焊接时需要更高的预热温度。

回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。

由于电子产品PCB板不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。起先，只在混合集成电路板组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件（SMD）的出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域都已得到应用。