寄生電容

在新版的裁判系統(tǒng)中，增加了感光條對(duì)于車模通過進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)時(shí)。相比與原來的電磁感應(yīng)方式，它具有一定的優(yōu)點(diǎn)：比如，檢測(cè)靈敏度高，對(duì)于外界的電磁干擾具有很強(qiáng)的免疫能力。而且由于是PCB定制，形狀固定，一致性好。但它對(duì)于環(huán)境光線急劇變化較為敏感，特別是周圍活動(dòng)的人影變化也會(huì)誤觸發(fā)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，這一點(diǎn)它又不如電磁感應(yīng)穩(wěn)定。

因此在新版的競(jìng)賽系統(tǒng)中兼容了這兩種傳感器以便應(yīng)用到各自適合的場(chǎng)合。

下圖是一條焊接好的感光板，它應(yīng)用了黃色LED對(duì)于光線比較敏感的特性來檢測(cè)車模通過時(shí)所帶來的光線變化。

下面是上述感光板的電路圖，將45個(gè)LED串聯(lián)之后連接在電源與三極管的基極之間。在有光照的情況下，LED會(huì)有一定的反向電流流過。當(dāng)任何一支LED被車模遮擋，它的反相電流就會(huì)降低，這個(gè)變化的電流經(jīng)過三極管的放大之后，由Rc形成相應(yīng)的變化電壓送到裁判系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行放大。

在實(shí)際的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。那就是感光板的不同位置的LED對(duì)于經(jīng)過的車模檢測(cè)靈敏度不同。越是靠近三極管的基極，靈敏度越高；遠(yuǎn)離三極管的基極則靈敏度降低。

這就奇怪了，這些LED串聯(lián)在一起，任何一個(gè)所引起的電流變化對(duì)于三極管的基極電流影響都應(yīng)該是相同的。為什么會(huì)有這樣的區(qū)別呢？這個(gè)現(xiàn)象開始的時(shí)候讓人百思不得其解。

下圖顯示了使用手在感光板上方快速通過，模擬車模經(jīng)過時(shí)對(duì)于感光板的遮擋。

通過示波器觀察三極管輸出電壓放大后的波形，對(duì)比在感光板不同位置所產(chǎn)生的電壓變化情況。

下圖顯示了原理三極管基極的LED被遮擋所產(chǎn)生的電壓變化，會(huì)看到電壓有比較緩慢的上升沿和下降沿。

下圖顯示了靠近三極管基極LED被遮擋時(shí)，電流變化波形，可以看到它對(duì)應(yīng)的波形變化則是非常迅速。

正是由于感光板不同位置LED被遮擋所引起三極管電流波形變化速度不同，就會(huì)使得檢測(cè)靈敏度有很大差別?？拷龢O管基極的LED引起電流變化速度快，則靈敏度高；原理三極管基極的LED引起電流變化速度慢，則靈敏度降低。特別是對(duì)于快速通過的車模，如果速度很快，緩慢變化的電流就有可能無法響應(yīng)。

那么問題來了，為什么不同位置的LED所引起電流變化的速度不同呢？

這就需要考慮到電路中的分布的寄生電容所帶來的影響了。在感光板的背面，鋪設(shè)有地線層，它可有效的降低周圍電磁場(chǎng)對(duì)于電路板的影響。但這層地線也給電路帶來了很多寄生電容。如下圖中紅色電路所顯示的寄生電容，是每個(gè)LED以及相關(guān)的引線與背面的底層之間的電容。

通過上圖可以明顯的看出，不同位置上的LED所引起的電流變化信號(hào)，達(dá)到三極管基極的電路不同。遠(yuǎn)離三極管基極LED所引起的電流變化信號(hào)需要通過很多級(jí)的寄生電容的低通濾波才能夠達(dá)到三極管的基極，因此引起輸出放大信號(hào)就會(huì)比較緩慢。反之，靠近三極管基極的LED所引起的變化電流信號(hào)引起三極管的放大信號(hào)就非?？?。

問題到此為止，應(yīng)該是找到了原因。那么怎么來驗(yàn)證這個(gè)解釋？如何改進(jìn)電路呢？

一種簡(jiǎn)單的方法就是把原來的單條LED串聯(lián)支路改成拆解成若干并聯(lián)的支路，這樣可以有效縮短每個(gè)LED所產(chǎn)生的電流變化到三極管基極的距離，進(jìn)而可以提高整個(gè)電路相應(yīng)速度。如下圖所示。

當(dāng)然，這種并聯(lián)也會(huì)帶來一定的代價(jià)，那就是其中任何一個(gè)支路所產(chǎn)生的電流變化信號(hào)除了會(huì)影響三極管基極電流之外，也會(huì)由于其它電路的分流而減少，從而降低整個(gè)輸出信號(hào)的幅度。所以將LED串聯(lián)分解成若干支路的數(shù)量也不能夠太多。

下面是通過飛線將原來的單個(gè)LED串聯(lián)支路拆成三個(gè)并聯(lián)支路。測(cè)試一下感光電路板的性能。

通過實(shí)際測(cè)試，可以看到這三段LED檢測(cè)輸出信號(hào)的速度都基本一致了，而且不同部分的LED之間差異變得更小，整個(gè)感光板的靈敏度都得到了提高。

有的時(shí)候，這些看不到寄生電容所帶來的麻煩實(shí)際上更加的詭秘。吃一塹，長(zhǎng)一智，碰到的問題越多，經(jīng)驗(yàn)也就越豐富。