无源器件使用要点_ADI.pdf-资料库

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简介电阻、电容、电感三种基本元件是构成硬件电路基础，影响着电路的方方面面。其合理的应用与选择不仅决定着硬件电路设计的稳定性，更决定着电子设备的质量优劣。 ADI 推出针对无源元件的电子工具书，搜集了来自 ADI 官方的无源器件相关资料，从器件选择、应用设计、测试测量方面进行分类整理，共 23 篇技术文章，旨在帮助广大工程师、电子工程相关学子梳理电子电路基本元件的基础知识以及在电路设计过程中提供实用的帮助。 ADI 智库是 ADI 公司面向中国工程师打造的一站式资源分享平台，除了汇聚 ADI 官网的海量技术资料、视频外，还有大量首发的、免费的培训课程、视频直播等。九大领域、十项技术，加入 ADI 智库，您可以尽情的浏览收藏、下载相关资源。此外，您还可一键报名线上线下会议活动，更有参会提醒等贴心服务。微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 1

目录电阻电容电感的应用测量问题 ..................................................................................... 4 1. 一种直接测量运算放大器输入差分电容的方法 ............................................... 4 2. 开关电源中的电感电流测量 ........................................................................... 13 3. 无线电流检测电路检测电阻浮空 .................................................................... 15 4. 利用电容-数字转换器检测液位 ...................................................................... 19 5. 电容数字转换器为诊断系统中的电平检测提供方便 ....................................... 28 6. 医疗保健应用中的 ADI 电容数字转换器技术 .................................................. 36 电路基本元件的选择疑惑 ........................................................................................... 45 7. 是半满还是半空？应该考虑的是容积。 ......................................................... 45 8. 在我的电路中，运算放大器与电容之间存在奇怪的相互作用，你能帮助解决吗？ ......................................................................................... 46 9. 低压差调节器—为什么选择旁路电容很重要 ................................................... 47 10. 选择电阻以最大程度减少接地负载电流源误差 .............................................. 53 11. 为什么我的全差分和电压反馈放大器的稳定性收到反馈电阻的很大影响？ ................................................................................................... 57 12. 电容传感器：坚固耐用，足够应对实际应用？ .............................................. 61 13. 选择合适的无源和分立元件以实现最高系统性能 ........................................... 62 电阻电容电感的应用电路设计 .................................................................................... 75 14. 在仅有零点电阻和电容可调节的情况下设计 PLL 滤波器 ............................... 75 15. 为什么 IC 需要自己的去耦电容？ .................................................................. 86 微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 2

16. 实验：PN 结电容与电压的关系 ..................................................................... 87 17. “如果没坏，就不要修理。”调节固定增益差分放大器的增益 ..................... 94 18. 关于在开关模式电源印刷电路板上放置电感的指南 ...................................... 101 19. 对电阻使用的经验法则说不 ......................................................................... 104 20. 改进低值分流电阻的焊盘布局，优化高电流检测精度 .................................. 107 21. “切除电容”(capacitycectomy)？听起来很痛苦！ ...................................... 114 22. 通过降低电源对电容的要求来解决 MLCC 短缺问题 ...................................... 115 23. 使用微型模块 SIP 中的集成无源器件 ........................................................... 124 微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 3

电阻电容电感的应用测量问题 1. 一种直接测量运算放大器输入差分电容的方法简介输入电容可能会成为高阻抗和高频运算放大器 (op amp) 应用的一个主要规格。值得注意的是，当光电二极管的结电容较小时，运算放大器的输入电容会成为噪声和带宽问题的主导因素。运算放大器的输入电容和反馈电阻在放大器的响应中产生一个极点，从而影响稳定性并增加较高频率下的噪声增益。因此，稳定性和相位裕量可能会降低，输出噪声可能会增加。实际上，以前的一些 CDM（差模电容）测量技术依据的是高阻抗反相电路、稳定性分析以及噪声分析。这些方法可能会非常繁琐。在诸如运算放大器之类的反馈放大器中，总有效输入电容由 CDM 与负输入共模电容（或对地的 CCM-）并联组成。CDM 难以测量的原因之一是运算放大器的主要任务是防止两个输入不相关。与测量 CDM 的难度相比，直接测量对地的正输入共模电容 CCM+ 相对容易一些。在运算放大器的同相引脚上放置一个较大的串联电阻并施加正弦波或噪声源，就可以使用网络分析仪或频谱分析仪来测量由运算放大器输入电容而产生的-3 dB 的频率响应。假定 CCM+ 和 CCM- 相同，特别是对于电压反馈放大器。但是，这些年来，测量 CDM 变得日益困难；运算放大器的固有特性会迫使其输入相等，从而自举 CDM，因此所使用的各种不同的技术都无法令人满意。当输入被强制分开并进行电流测量时，输出将试图进行对抗。检测 CDM 的传统方法是间接测量，该方法依赖于相位裕度的降低，且因并联使用 CCM- 等其他电容而变得更复杂。我们希望待测运算放大器能够像客户平时的用法一样，在闭环条件下正常运行并执行功能。建议的一种可行方法是分离输入并进行输出削波，但是这可能会使内部电路无法工作（取决于运算放大器拓扑），因此实测电容可能无法反映实际工作电容。在这种方法中，不会对输入进行过度分离，以避免输入级的非线性以及过多的输出摆幅或削波。本文将介绍一种简单直接的 CDM 测量方法。微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 4

测量 CDM 的新方法作者决定只使用增益为 1 的缓冲电路，并使用电流源激励输出和反相输入。输出和反相输入将仅在运算放大器允许的范围内变动。在低频下，输出的变动很小，因此通过 CDM 的电流会很小。而在过高频率下，测试可能会无效，况且结果也没用。但在中频下，运算放大器的增益带宽会下降，但不至于太低，输出变动仍可提供足够大的电压激励和可测量的通过 CDM 的电流。 LTspice® 的本底噪声几乎不受限制，因此可以进行简单的测试仿真，如图 1 所示。当发现该技术在 LTspice 中相当准确有效后，接下来的问题就是“我可否在现实世界中获得足够的 SNR 以进行良好的测量？” 图 1. 直接测量 LTspice 中的 CDM 阻抗。绘制 V(r)/I(R1) 曲线以获得阻抗。在本例中，在 1 MHz 频率下，-89.996°时 Z 为 19.89437 kΩ (10(85.97/20))，利用公式 C = 1/(2π × Z × Freq)，Z 正好为 8 pF。该相位角几乎等于 -90°，这表明阻抗是容性的。2 pF 共模电容不会破坏测量，因为 CCM- 不在路径中，且 1/(2 × π × Freq × CCM+) >> 1 Ω。挑战：找到合适的设备和实际测试设置如图 1 所示，将 2 kΩ 电阻串联在运算放大器的输出端，以将激励从电压源转换为电流源。这将允许节点“r”中存在小电压（它不会与在运算放大器的同相引脚中所看微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 5

到的电压相差太远），并将导致小电流流入待测 CDM 的输入端之间。当然，现在的输出电压很小（由待测器件 (DUT) 进行缓冲），而且 CDM 中的电流也很小（在本仿真中为 57 nA），因此在工作台上使用 1 Ω 电阻进行测量将很困难。LTspice.ac 和 LTspice.tran 仿真没有电阻噪声，但现实世界中的 1 Ω 电阻具有 130 pA/√Hz 的噪声，从我们预期的 57 nA 电容电流中只能产生 57 nV 信号。进一步的仿真表明，用 50 Ω 或 1 kΩ 代替 R1 不会导致在目标带宽范围内的频率下流入 CCM+ 的损耗电流过大。为了获得比简单电阻更好的电流测量技术，可使用跨阻放大器 (TIA) 代替 R1。TIA 输入会连接到运算放大器的同相引脚，在该引脚上需要电流，同时电压固定为虚地以消除 CCM- 中的电流。事实上，这正是 Keysight/Agilent HP4192A 等四端口阻抗分析仪的实现方式。HP4192A 可以在 5 Hz 至 13 MHz 的频率范围内进行阻抗测量。市场上采用相同阻抗测量技术的一些新设备包括具有 10 Hz 至 120 MHz 范围的 E4990A 阻抗分析仪和具有 20 Hz 至 2 MHz 范围的精密 LCR 表（如 Keysight E4980A）。如下面图 2 测试电路所示，由于阻抗分析仪内部的 TIA，运算放大器的同相引脚保持虚地状态。正因如此，CCM+ 的两个端子都被视为处于地电位，因此不会影响测量。DUT 的 CDM 两端产生的小电流将流经 TIA 的反馈电阻 Rr 然后由内部电压表进行测量。图 2. CDM 测试电路。任何使用自动平衡电桥阻抗测量方法的四端口设备都是测量 CDM 的合适选择。它们设计为从内部振荡器产生正弦波，该内部振荡器以零为中心点，具有正负摆幅，可用于双电源供电。如果运算放大器 DUT 由单电源供电，则应调整偏置功能，以使信号不会发微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 6

生对地削波。图 3 中使用了 HP4192A，并显示了与 DUT 的详细连接。图 3. CDM 直接测量方法的测试设置。图 4 显示了确切的测试设置，以使电路板和连线对 CDM 的寄生电容贡献极小。任何通用电路板均可用于低速运算放大器，而高速运算放大器则需要更严格的 PCB 板布局。垂直接地的铜分隔板能确保输入端和输出端看不到与 DUT CDM 平行的其他场路径。微信搜索“ADI 智库”，获取更多技术资料 7

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