第3章元件與電磁兼容電磁兼容與PCB設計元器件概術無源元件的頻率響應有源器件與電磁兼容元器件的選擇本章內容3.1元器件概述（1）數字器件定義：數字器件由與、或、非門等邏輯單元構成。以數字信號為處理對象，是典型的有源器件，其噪聲容限較高。典型的數字器件：門電路、計數器、譯碼器、編碼器、寄存器、觸發器、PLD、CPLD、FPGA、DSP、MCU、CPU、RAM、ROM等。（2）模擬器件定義：以模擬信號為處理對象，即對模擬電壓、電流信號進行處理。典型的模擬器件：電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應管、功放管、穩壓管、傳感器、運算放大器等。（3）無源器件定義：不依靠外加電源（直流或交流）的存在就能表現出其外特性的器件。典型的無源器件：部分模擬器件（如電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應管、功放管、穩壓管、傳感器）2.元器件的組裝技術（1）組裝密度高、體積小、重量輕（2）可靠性高、抗振能力強（3）高頻特性好（4）易于實現自動化（5）降低成本3.SMT的技術特點3.2無源元件的頻率響應臨界頻率:在EMC中0.6in1.5cm30.0cm1000MHz3in7.5cm1.50m200MHz5.9in0.15m3.00m100MHz5ft1.50m30.0m10MHz/20/20頻率(f)當天線的長度有效輻射體趨膚效應當導體內部的電磁場和電流的大小減小到導體表面值37%(1/e)時,該點到導體表面的距離稱為趨膚深度,記為銅的趨膚深度0.00053mm1GHz0.0017mm100MHz0.0053mm10MHz1.7mm100Hzff越高，越小2.電阻（1）材料:碳質、碳薄膜、云母、繞線（2）種類：片狀薄膜電阻（1206，0805，0603，0402）繞線功率電阻（滑動變阻器）水泥電阻（耐高溫、高壓，適用于大功率負載）金屬膜電阻（常用有管腳，有彩色線圈）……低頻:電阻特性等效電抗高頻等效電路：L:引線電感C:寄生電容LCRL頻率特性F(frequency)ZFrIdealResistor繞線電阻(wirewound)例.金屬電阻引線長度1.27cm,導線用AWG14,整個并聯電容為0.3pF,電阻值是10Kohms,200MHz的等效RF阻抗是多少?解:

=8.7nH200MHz:=10.93ohms=2653ohms=1890.5ohmsLCRL3.電容（1）用途：去耦、旁路、諧振電路、濾波等（2）電容器的種類金屬薄膜電容有管腳，包括徑向引線和軸向引線

多層陶瓷貼片電容（1206，0805，0603，0402）鉭電解電容獨石（陶瓷）電容－COG(NPO)，X7R,Y5V(Z5U)滌綸電容低頻:電容特性高頻:頻率超過自諧振頻率,呈感性電容高頻等效電路：RpLCRs有效串聯電阻ESR為Rs,Rp的等效阻抗,電路品質因素:,Q越大,電容越好頻率特性F(frequency)ZFrCapacitiveInductiveRs+RpIdealCapacitor平板電容器:自由空間介電常數A:平板電容器的面積d:兩個平板之間的距離:介電常數4.電感（1）種類：片狀電感磁珠（2）頻率特性低頻:電感特性當頻率很高時,呈斷路高頻:RsCdLRs:串聯電阻Cd:分布電容電路品質因素:Q越大,電感越好F(frequency)ZFrCapacitiveInductiveIdealInductor（3）共模扼流圈電路圖結構圖鐵鎂合金或鐵鎳合金，通常在高頻下應用。包括磁珠、磁環、SMD（4）鐵氧體：

低頻：電阻被電感短路,呈電感特性，R+jwL高頻：電感阻抗很高,電流全部流過電阻,呈電抗特性，jwL-鐵氧體抑制傳導和輻射的方式（提供高阻抗減小高頻電流）用作電感，構成低通濾波器，高頻損耗大直接用于元器件的引線或線路上Note:

鐵氧體初始磁導率越大，抑制的頻率范圍越高僅量安裝在接近騷擾源的地方5.變壓器低頻:用途:供電、數字信號隔離、電源接口、共模隔離變壓器初級線圈和次級線圈之間有電容耦合，當頻率升高，電容耦合增加，相互干擾增加F(frequency)Z高頻:3.3有源器件與電磁兼容1.邊沿速率邊沿速率指信號邏輯狀態轉換的時間dV/dt，即數字信號上升沿（tr）或下降沿（tf）的時間。脈沖的前沿與脈沖高頻能量的關系梯形脈沖的周期信號，上升時間為tr，脈沖寬度為tp；梯形脈沖頻譜包絡示意圖數字電路的時鐘頻率或脈沖的重復頻率fPR，也可由fmax=20fPR。電磁兼容角度應該考慮的最高頻率:邏輯系列提供的上升/下降時間tr/tf主要諧波分量F=1/πtrEMI的典型頻率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高密度高速度細間距多引腳高可靠組裝設計（1）元件的封裝---表面安裝技術（SMT-SurfaceMountTechnology）SMT新技術keypoints:2.元件的封裝DIP（Dualin-linepackage,雙列直插）SMT(Surfacemount,表面貼)如，PLCC(plasticleadedchipcarrier)SOP(SmallOutlinePackage)小外形封裝

PQFP(PlasticQuadFlatPackage塑料四方引出扁平封裝TQFP(ThinQuadFlatPackage)薄型四方扁平封裝VQFP(VeryThinQuadFlatPackage),LQFP(LowQuadFlatPackage)PGA(PinGridArray),針柵陣列封裝BGA(BallGridArray),球柵陣列封裝CSP(ChipSizePackage或ChipScalePackage)芯片尺寸封裝MCM(MultiChipModel)多芯片模塊封裝BareDie(裸芯片）等DIP-tab

DIPPLCCCLCCLCCJLCCSOPTSOPHSOP28SOJSOHPQFPQFPTQFPLQFPPGABGAPackage導線長度電感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優于DIP:封裝大小減小40%引線電感減小64%元件連線長度減小環路面積減小（2）不同邏輯包的導線長度電感比較：無源元件：高速貼片機波峰焊有源元件：直接組裝芯片封裝器件和絲焊芯片規模封裝（CSP）網陣焊球封裝Problem:散熱問題（thermalrelief）（3）表面安裝技術在貼裝和焊接方法中有兩點：（4）元件封裝與輻射

E為環行天線產生的場強（V/m），r為發射回路與接收天線間的距離（m），f為頻率（MHz），Is為電流（mA），A為環路面積（）,L:天線長度（m）3.接地散熱器中央處理器（CPU）和超大規模集成電路需要更廣泛的高頻去耦及接地技術，以達到良好的散熱效果。可以消除封裝內部產生的熱量；可以防止處理器內部時鐘脈沖電路產生的射頻能量輻射到自由空間或耦合到相鄰的元件；相當于一個共模去耦電容器，可以將處理器產生的射頻電流分流到接地面。接地散熱器的作用包括以下幾點：時鐘源的電源濾波5.集成電路中的輻射RLC電路；電容器和鐵氧體磁環組成的電路。縮小封裝的外殼尺寸（減小天線的有效輻射面積）；降低芯片結構中所產生的RF射頻能量；將芯片中產生的輻射噪聲與IC中任何連接外電路的管腳相隔離。3.4元器件的選擇（1）基本元件：(R,L,C,diode,transistor…)功能、封裝、材料

R:SMT優于引腳電阻。碳膜電阻>金屬膜電阻>線繞電阻C:鋁電解電容、鉭電解電容適用于低頻終端陶質電容適用于中頻終端（KHZ~MHZ）低損耗陶質電容和云母電容適用于高頻和微波電路L:SMT與引線電感性能差別不大。閉環優于開環。（圖）開環電感繞軸式比棒式或螺線管式好（圖）功能、封裝、材料、運行速度、邊沿速率等。封裝:SMT>>1.元件的正確選擇（2）集成電路(IC)功能、封裝、運行速度、邊沿速率、輸入能量消耗、時鐘偏移、引線電容、接地散熱等元件的邊沿速率：電壓或電流單位時間內改變的速率。

IC制造商減小尺寸以達到在單位硅片上增加更多部件，減小尺寸會使晶體管更快，雖然IC運行速度沒有增加，但元件的邊沿速率會增加，其諧波分量使頻率值上升。（3）微控制器電路(MCU)功能、封裝、運行速度、邊沿速率、I/O引腳、IRQ、復位引腳、振蕩器2.IC中的輻射考慮（1）IC設計期望目標：無限小的上升時間（零上升時間）無限制的輸出驅動（無限制的功率輸出）（2）不兼容IC的PCB設計技術：保持較短的引線長度（減小輸出回路面積）時鐘信號遠離I/O電路和線路（防止耦合）通過串聯阻抗（電阻器或鐵氧體磁環）提高時鐘線路的輸出阻抗3.元件輻射的大小變遷：最高頻率/速率最低頻率/速率CPURAMI/ODriversBusBusBusPowerConnector選用外形尺寸非常小的SMT或者BGA封裝；選用芯片內部的PCB具有電源層和接地層的多層PCB設計；選用在邏輯