最壞情況的電路設(shè)計(jì)包括元件公差，第一部分

構(gòu)建可靠的硬件要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段考慮所有公差。許多參考文獻(xiàn)討論了參數(shù)偏差導(dǎo)致的有源元件誤差——展示了如何計(jì)算運(yùn)算放大器失調(diào)電壓、輸入電流和類似參數(shù)的影響——但很少有人考慮無(wú)源元件容差。確實(shí)考慮了組件容差的參考文獻(xiàn)是從科學(xué)家而不是電路設(shè)計(jì)人員的角度出發(fā)的。

但是，我們可以通過(guò)使用基本電路方程和組件的極限值來(lái)計(jì)算最壞情況值的范圍，從而了解最壞情況設(shè)計(jì)，例如輸出電壓等電路參數(shù)可以在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)假設(shè)。最壞情況設(shè)計(jì)讓組件采用廣泛的值，從而產(chǎn)生廣泛的解決方案;其中一些解決方案可能是不可取的。

被動(dòng)元件公差計(jì)數(shù)

電阻器是所有電子電路中的基礎(chǔ)，因此我們應(yīng)該詳細(xì)考慮它們。電阻器使用購(gòu)買公差 P 指定，我們以百分比測(cè)量;流行的例子包括 0.5、1、2、5 和 10%。購(gòu)買公差保證我們收到的電阻器在其標(biāo)稱值范圍內(nèi)。當(dāng)我們購(gòu)買電阻器時(shí)，它的值通常接近其極限，因?yàn)樵S多制造商在對(duì)電阻器進(jìn)行分級(jí)時(shí)選擇并移除分布的中心，作為其更嚴(yán)格的公差等級(jí)進(jìn)行銷售。

外部應(yīng)力(例如焊接)會(huì)導(dǎo)致電阻值在組裝過(guò)程中發(fā)生變化。因此，在完成組裝離開工廠之前，電阻值可能會(huì)超出購(gòu)買公差。組件值在其生命周期內(nèi)不斷變化，因?yàn)橥獠繎?yīng)力(例如溫度、老化、壓力、濕度、安裝、陽(yáng)光和灰塵)會(huì)改變組件的成分、尺寸和表面特性。在操作過(guò)程中經(jīng)歷的組件值變化稱為漂移容差 D，我們可以用百分比來(lái)衡量它們。

表 1顯示了估計(jì)的電阻器容差。請(qǐng)注意，購(gòu)買公差與漂移公差是分開的，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^(guò)微調(diào)來(lái)減少或消除購(gòu)買公差，但漂移公差發(fā)生在正常操作期間并會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，除非系統(tǒng)在測(cè)量前執(zhí)行校準(zhǔn)。某些電阻器的漂移容差大于購(gòu)買容差。

電阻器制造工藝及其操作環(huán)境決定了漂移容差。供應(yīng)商使用穩(wěn)定、受控的方法和抗漂移的材料制造公差更小的電阻器，因?yàn)檫^(guò)度的漂移會(huì)導(dǎo)致制造廢品。將工廠漂移降至最低的嚴(yán)格工藝和材料控制技術(shù)可能無(wú)法將現(xiàn)場(chǎng)漂移降至最低。表 1中的漂移容差是 –25 至 +85°C 環(huán)境溫度和合理外部應(yīng)力的最差情況。除非制造商另有說(shuō)明，否則溫度漂移是不可預(yù)測(cè)的，電阻值會(huì)因溫度升高而增加或減少。在使用較低的漂移容差之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)咨詢電阻器制造商。

電阻器通常表示為 R 1或 R 2。保留此命名法，我們可以將最終電阻值計(jì)算為 (1±T)R 1以獲得最壞情況下的電阻值，其中 T 是以小數(shù)表示的總?cè)莶?。我們使用加?hào)/減號(hào)，因?yàn)楣畹臉O性取決于外部條件、制造方法、材料和內(nèi)部應(yīng)力。在計(jì)算過(guò)程中，我們應(yīng)該假設(shè)最壞情況下的容差極性。我們必須將單個(gè)電阻器的容差表示為正或負(fù)，使用產(chǎn)生最壞情況的計(jì)算，除非數(shù)據(jù)表規(guī)定所有電阻器都沿規(guī)定方向漂移。計(jì)算 R 1的絕對(duì)最壞情況最大值時(shí)=10 kΩ，5%，你應(yīng)該使用(1+0.01(5)+0.01(5))R 1 =1.1R 1 =11 kΩ。該電阻器的絕對(duì)最壞情況最小值為 (1–0.01P–0.01D)R 1 =(1–0.05–0.05)R 1 =9 kΩ。

我們以相同的方式處理這些計(jì)算未詳細(xì)討論的電容器容差。由于供應(yīng)商用于制造它們的方法完全不同，它們?cè)陔娙萜黝愋椭g的差異比電阻器要大得多。電解電容器的采購(gòu)公差通常為 80, –20%，但一些玻璃和 NPO 陶瓷電容器的采購(gòu)公差為 1%。一般來(lái)說(shuō)，除非制造商的數(shù)據(jù)表有不同的建議，否則最好將所有電容器容差增加三倍。這種做法在保守方面是錯(cuò)誤的，但當(dāng)你還沒(méi)有完成作業(yè)時(shí)，這是一個(gè)很好的判斷。