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模擬電路基板導線的設計
摘要: 1、OP增幅器構成的全波形整流電路patterning圖1的全波形整流電路,經常因正端(plusside)與負端(minus)gain的未整合,導致波形不均衡,所以決定gain值的電阻使用誤差為±1%的金屬皮膜電阻。本電路可以使IC1
關鍵詞: 設計 導線 電路 模擬
Abstract:
Key words :

1、OP增幅器構成的全波形整流電路patterning

  圖1的全波形整流電路,經常因正端(plusside)與負端(minus)gain的未整合,導致波形不均衡,所以決定gain值的電阻使用誤差為±1%的金屬皮膜電阻。本電路可以使IC1b作差動動作,因此能夠減緩高頻時波形不均衡現象。雖然OP增幅器采用LF412,不過可以根據設計需求,改用與OP增幅器腳架相容的LM358
 

  

利用OP差動增幅器作全波整流的電路

 

  圖1利用OP差動增幅器作全波整流的電路

  IC1的1、2號腳架至5、6號腳架路徑(route)是本電路基板主要設計重點,如圖2所示如果導線繞過IC的外側,路徑會變長所以采取IC下方布線設計,正、負電源的圖案導線寬度完全相同,信號則沿著箭頭方向流動,二極管(diode)等整流電路則整合在基板左側,電源導線加粗的同時接地采取fullground設計,如此一來雙面電路基板就可以滿足以上所有的要求。

  

利用OP差動增幅器作全波整流的電路基板圖案

 

  圖2利用OP差動增幅器作全波整流的電路基板圖案

  2、光學耦合器的基本周邊導線

  接著介紹封裝光學耦合器(photocoupler)的電路基板分離圖案設計技巧。光學耦合器主要功能是將board或是設備之間絕緣,主要原因是為了保障各組件保證的絕緣耐壓特性,因此電路基板出現所謂的分離圖案設計。圖3的電路12V的輸入單元與5V的輸出單元就是采用分離圖案設計,它使用四個編號為的PS2801-4光學耦合器。

  

使用photocoupler的電壓轉換電路

 

  圖3使用photocoupler的電壓轉換電路

  如圖4所示為確保1次端(發光側)與2次端(收光側)的沿面距離,所以設計上分成表層圖案與內層圖案,內層圖案若是fullpattern時,與一般fullpattern一樣需作除料設計。所謂沿面距離是線導體之間的指導,沿著絕緣物通行時最短距離而言,有關耐壓與沿面距離,UL、VDE等各國的安全規范都有嚴謹的規定與說明。

  (1)pattern的間隔過窄設計例(b)pattern的間隔適當設計例

  

 

  圖4photocoupler正下方的1次端與2次端圖案必需確實分離I/O點數很多而且使用復數個光學耦合器的場合,必需將散熱問題一并列入考慮。圖5是根據以上需求,兼具散熱效果的pattern設計范例,由圖可知1次端與2次端的接地共通時,利用fullpattern連接可以提高散熱效果;內層有接地時可以在fullpattern設置數個via與內層接地連接。如上所述根據1次端與2次端的電流值與散熱要求,最后才能決定電阻的定額與pattern寬度

 

  

兼具散熱效果的pattern設計

 

  圖5兼具散熱效果的pattern設計

  3、100V以上商用電源線的圖案

  圖6是已經絕緣可輸出脈沖的商用交流zerocrosspoint電路。TLP626LED兩者未點燈時,光學耦合器的光學晶體管(phototransistor)成為OFF,輸出正極性的脈沖。

  

商用交流zerocrosspoint檢測電路

 

  圖6商用交流zerocrosspoint檢測電路

  由于商用交流的輸入線相當危險,因此設計電路基板圖案時必需充分考慮絕緣與安全性。圖7所示雖然R1單獨一個電阻電氣上動作完全相同,不過與商用交流的輸入直接連接的圖案變長,或是流入電阻的電壓變高時,電阻的耐電壓特性會出現問題,因此建議讀者最好分成數個電阻。圖8的輸入電壓變高時,R1電力損失會以電壓的二次方增加,此時必需改傭可以封裝更大阻抗的電路基板圖案。

  

 

  圖7以R1取代圖17的R1-1R1-2

  

 

  圖8加大圖17的R1-1R1-2容許電力可支持大電壓范圍設計圖9的電路基板圖案,必需考慮下列事項:

 

  ①采用fullpattern設計,組件盡量緊湊封裝。

 ?、赗1等發熱組件附近設置低高度R1,同時盡量遠離C1。

  ③R1設置復數個可以封裝1W,2W,3W電力阻抗的land。

  圖9電路基板圖案最大缺點是封裝2W,3W電阻時,會因為實際電阻封裝情況,造成未使用的land太接近胴體部位;圖10是設計變更后的電路基板圖案,如此一來R1封裝在任何位置,組件下方不會出現land

  

 

  圖9商用交流zerocrosspoint檢測電路基板圖案圖10設計變更后的基板圖案.可發揮24位分辨率的A-Dconverter周邊電路基板圖案

  圖11是由復數個24位A-Dconverter構成,具備電壓測試精度與SN比最佳化,與直流甚至20kHz信號的多頻道數據記錄前置器(multichanneldatarecorderfrontend)電路圖。本電路亦可應用在3頻數據記錄器,為達成目的因此將成為ADC的轉換基準的參考(reference)電源REF3125IC(以下簡稱為REF)當作ADC與pair使用,雖然如此設計ADC頻道之間的gain誤差會增大,不過復數ADC使用共通同的REF,圖案的設計自由度提高,而且容易獲得理想的基板布線設計。

  

復數個24位A-Dconverter構成的多頻數據記錄器電路

 

  圖11復數個24位A-Dconverter構成的多頻數據記錄器電路

  圖12是從信號源一直到電源的過程中產生的接地電位差統計一覽、上述電路為模擬/數字混載電路,因此接地會有模擬/數字電流流動,如果處理錯誤的話數字電路的return電流,會混入模擬接地變成噪訊源。

  

 

  圖12接地電流的種類與接地電位差的統計一覽

  此外各電路的電流是由電源的正極提供,再折返至供給元的負極,因此設計上利用此特性,設置return電流合流點與分歧,點使通行路徑明確分隔。初段的模擬電路(前置增幅器)根據本身的電位基準點接受信號電壓,信號源與該電位基準點若與接地的同電位時,正確信號電壓會傳遞至前置增幅器。圖12是表示電流的合流與分歧電位差。此外ADC包含模擬/數字兩種電路兩者的接地之間電位若有動態變化的話,模擬單元會出現耦合(coupling)造成SN比惡化現象,所以圖13的ADC直接連接在與地電位上完全相同位置。圖24是充分反映以上構想的數據記錄器電路基板圖案,如圖所示寬幅的接地圖案在ADC與OP增幅器正下方通行,它除了達成低接地阻抗化之外,還兼具對IC芯片的遮蔽(shield)效果,尤其是電路內層或是背面設有可以傳輸脈沖信號的圖案時,通常都可以獲得極佳低接地阻抗與遮蔽效果。

 

  

充分反映圖12的構想的數據記錄器電路基板圖案

 

  圖13充分反映圖12的構想的數據記錄器電路基板圖案

  圖14是基板背面圖案,圖中的補充圖A又稱為remotesensing手法。雖然OP增幅器的輸出部設置利用電容負載防止波動的電阻,不過只要插入包含該電阻與VrefP電位的復歸loop,就能夠正確將參考電壓傳至VrefP。補充圖B則稱為Kelvin連接手法,由于OPA2346的第2與第3腳架之間會產生參考(reference)基準電壓,因此直接在VrefP至VrefN之間鋪設電壓傳輸線,如此就可以防止return電流波動產生電壓誤差

  

可以提供A-Dconverter良好參考電壓的電路基板

 

  圖14可以提供A-Dconverter良好參考電壓的電路基板

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