无源器件包含寄生电阻、电容和电感。在电磁兼容问题容易发生的高频段,这些寄生参数通常占主导地位,并使器件功能彻底发生变化。电子元器件按装配形式可分为有引脚元器件和无引脚元器件。有引脚线元器件有寄生效果,尤其在高频时,引脚形成了一个小电感,引脚的末端也能产生一个小的电容效应。因此,引脚的长度应尽可能短。与有引脚元器件相比,无引脚且表面贴装的元器件寄生效果要小一些。从电磁兼容性的角度看,表面贴装元器件效果最好,其次是放射状引脚元器件,最后是轴向平行引脚的元器件。一、电阻的选用❖由于表面贴装元器件具有低寄生参数的特点,因此,表面贴装电阻的电磁兼容性总是优于有引脚电阻。对于有引脚的电阻,应首选碳膜电阻,其次是金属膜电阻,最后是线绕电阻。在EMC设计中,电阻选用注意以下几点:1.在相对低的工作频率下(约MHz数量级),金属膜电阻是主要的辅助元器件,适用于高功率密度或高准确度的电路中。2.线绕电阻有很强的电感特性,不适合在频率为50kHz以上的电路中使用,在对频率敏感的电路中也不能用它,它适用于大功率处理电路。3.在放大器的设计中,电阻的选择非常重要。在高频环境下,电阻的阻抗会因电阻的电感效应而增加。因此,增益控制电阻的位置应该尽可能靠近放大器以减小电路板的电感。4.在有上拉/下拉电阻的电路中,晶体管或集成电路快速切换会增加上升时间,为了减小这个影响,所有的偏置电阻必须尽可能靠近有源器件及其电源和地,从而减小PCB连线的电感。5.在稳压(整流)或参考电路中,直流偏置电阻应尽可能靠近有源器件以减轻去耦效应(即改善瞬态响应时间)。6.在RC滤波网络中,电阻的寄生电感很容易引起本机振荡,所以必须考虑由电阻引起的电感效应。7.在高频电路中,最好使用无感电阻器和贴片电阻器,以获得较好的高频特性。二、电容的选用❖首先先说明几种最常见的电容类型及其特点。铝电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔制成的,如图1所示,这样可在单位体积内得到较大的电容值,但也使得该部分的内部感抗增加。❖图1钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成,其内部感抗低于铝电解电容。陶瓷电容是在陶瓷绝缘体中包含了多个平行的金属片,如图2所示。其主要寄生为片结构的感抗。❖图2绝缘材料的不同频响特性,意味着一种类型的电容会比另一种更适合于某种应用场合。铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端,主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围内(从kHz到MHz),陶瓷电容比较适合,常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗陶瓷电容(通常价格比较昂贵)和云母电容(结构与陶瓷电容类似,只是金属箔间的隔离层为云母片)适用于甚高频应用和微波电路。为得到最好的EMC特性,电容具有低的ESR(Equivalent Series Resistance,等效串联电阻)值是很重要的,因为它会对骚扰信号造成大的衰减,特别是在应用频率接近电容谐振频率的场合。1.旁路电容了旁路电容的主要功能是产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的高频能量。了旁路电容一般作为高频分路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合做板级直流电源的旁路电容,其电容值取决于PCB上的瞬态电流需求,一般为10~470μF。若PCB上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源,则应选择大容量电容。旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。为尽量减小阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源引脚和接地引脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。2.去耦电容有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播,以及将噪声引导到地。旁路电容和去耦电容都应尽可能放在靠近电源输入处,以帮助滤除高频噪声。为了得到更好的EMC特性,去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块(IC),否则布线阻抗将减弱去耦电容的性能。**选择去耦电容时,除了考虑电容值外,ESR值也会影响去耦能力。为了更好地去耦,应该选择ESR值低于1Ω的电容。另一个影响去耦效力的因素是电容的绝缘材料(电介质)**,如图3所示。❖图3去耦电容常使用钡钛酸盐陶瓷(Z5U)和银钛酸盐(NPO)这两种材料。Z5U具有较大的介电常数,谐振频率为1~20MHz。NPO具有较小的介电常数,但谐振频率较高(大于10MHz)。因此Z5U更适合用于低频去耦,而NPO用于50MHz以上频率的去耦。在实际应用中,常用的方法是将两个或多个去耦电容并联,如图4所示,这样可以在更宽的频谱分布范围内降低电源网络产生的开关噪声。多个去耦电容的并联能提供6dB增益以抑制有源器件开关造成的射频电流。多个去耦电容不仅能提供更宽的频谱范围,而且能提供更宽的布线以减小引线自感,因此也就能更有效地改善去耦能力。❖图4需要注意的是数字电路的去耦,低的ESR值比谐振频率更为重要,因为低的ESR值可以提供更低阻抗的到地通路,这样当超过谐振频率的电容呈现感性时仍能提供足够的去耦能力。3.三端电容和穿心电容在实际工程中,要滤除的电磁噪声频率往往高达数百兆赫兹,甚至超过1GHz。对这样的高频电磁噪声必须使用三端电容或穿心电容才能有效地将其滤除。普通电容不能有效地滤除高频噪声有两个原因:一个原因是电容引线电感造成电容谐振,对高频信号呈现较大的阻抗,削弱了对高频信号的旁路作用;另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合,降低了滤波效果。三端电容的外形、表示符号及插入损耗分别如图5和图6所示。❖图5❖图6与两端电容相比,三端电容信号引脚的特殊结构,决定了同样材料和容量的三端电容比两端电容具有更低的等效串联阻抗和更高的谐振频率。通常情况下,两端贴片陶瓷电容适用于电源线滤波和去耦,三端贴片陶瓷电容适用于信号线的滤波。三端电容也有其不足,三端电容信号(输入、输出引脚)之间的寄生电容,会造成输入、输出引脚之间的高频耦合,接地脚PCB布线上的分布电感会造成滤波效果的下降。如图7所示。❖图7穿心电容可以克服三端电容以上的缺点,其结构如图8所示,滤波特性如图9所示。从滤波特性曲线上可以看到,穿心电容的特性非常接近理想电容的特性,在1GHz以上的频率段依然保持良好的容性,且有极佳的插入损耗。对高频干扰有极佳的滤波效果,非常适用于高频信号线的滤波。❖图8❖图9穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声,是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题,而且穿心电容可以直接安装在金属面板上,利用金属面板起到高频隔离的作用。4.电容谐振如图3所示,电容在低于谐振频率时呈现容性,然后电容因为引线长度和布线自感呈现感性。表1给出了两种陶瓷电容的谐振频率,一种具有标准的0.25英寸的引脚和3.75nH的内部互连自感,另一种为表面贴装类型,并具有1nH的内部自感。从表中可以看出,在材料及参数相同的情况下,表面贴装电容的谐振频率是通孔插装有引脚电容的两倍。❖表1三、二极管的选用❖实际中许多电路为感性负载,在高速开关电流的作用下,系统中产生瞬态尖峰电流。二极管是抑制尖峰噪声最有效的器件之一。在控制应用中,无论有刷电机还是无刷电动机,当电动机运行时,都将产生电刷噪声或运行噪声,因此需要噪声抑制二极管。为了改进噪声抑制效果,二极管应尽量靠近电动机电源接点。在电源输入电路中,需要用TVS或压敏电阻(MOV)进行噪声抑制。信号连接接口的EMI问题之一是静电放电(ESD)。屏蔽电缆和连接器可用于保护信号不受外界静电的干扰。使用TVS或变阻器保护信号线也可达到同样的目的。典型的二极管特性和应用如表2所示。表2