这个变压器的6个引脚分别有什么用?

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高性能魔术转换器(ADC前端的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要。优化总体设计取决于很多因素 ,包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下的问答主要节绍了使用放大器和变压器影响ADC前端设计的一些重要的实际考虑。

文章篇幅过长,这里只分享了部分内容,查看全文请点击:


问:放大器和变压器根本区别是什么?

答:放大器是有源器件,而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样,消耗功率并且产生噪声;变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。

问:为什么选择放大器?

答:放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流(DC)电平,就必须使用放大器,因为变压器是固有的交流(AC)器件。另外,如果需要,变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易,因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面,变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应,而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。

问:放大器通常产生的噪声有多大?如何减少这些噪声?

答:让我们考虑一个典型的放大器,例如ADA49371,如果设置增益G1,那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/√Hz,与此频带可比的采样速率为80MSPS AD944682 ADC的输入噪声谱密度是10nV/√Hz。这里的问题是,放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽(中心频率位于500 MHz),而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区(40 MHz)。在没有滤波器的情况下,放大器的噪声有效值是155 μVrmsADC的噪声有效值是90 μV。从理论上讲,总系统的信噪比(SNR)降低了6dB。为了从实验上证实这一点,用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB

为了提高ADC的信噪比,在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100MHz的双极点滤波器,放大器的总噪声有效值变为71 μV使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79 dBFS,本底噪声为-121dB,如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器(见图2b)。


问:高速放大器和ADC在功耗方面有何不同?

答:这要看使用的放大器和ADC。具有相似功耗的两种典型放大器,AD835235 V电压下的电流是37 mA185 mW,ADA49375 V电压下的电源电流是40 mA(200 mW)。如果使用3.3 V电源供电,它们的功耗都可以降低三分之一,同时会稍微降低它们的一些性能。ADC的功耗差异性较大,这取决于它们的分辨率和采样速率。16 bit, 80 MSPS AD9446-80

问:在什么情况下需要使用变压器呢?

答:当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时,变压器具有超越放大器的最大性能优势。

问:变压器和放大器在增益方面有何不同?

答:主要的区别在于ADC的输入阻抗,它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关,而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益(G)根本无关无关。

例如,采用一个增益G=2的变压器,并且变压器的输入阻抗为50Ω,输出阻抗为200 Ω AD9246 ADC有一个4 pF的差分输入电容,它与一个200 Ω输出阻抗的变压器相连,会使ADC-3dB带宽范围从650 MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise),通常需要外接一只串联电阻和微分电容,这样会进一步限制-3 dB的带宽,大概下降到100 MHz

如果使用一个低输出阻抗的放大器,例如使用ADA4937,结果通常会提供低于5 Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 Ω限制瞬态电流的电阻器;这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246,应该是合适的。

到目前为止,我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦,比方说0.5 dB,那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度,需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽,那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点,但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。

问:在究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时,要考虑哪些因素呢?

答:我们可以把这些因素归结为6个参数,如下表所示:

放大器(保持直流信号)
变压器(隔离直流信号)

在有多个关键参数发生冲突的应用中,要做进一步分析和权衡。

问:那么在分析中有要考虑哪些因素呢?

答:首先要了解为给定的ADC设计前端的困难程度。第一,要了解ADC内部有缓冲器呢,还是没有(例如,开关电容型前端)?很显然,不论是哪一种情况,困难程度会随着频率的增高而增加。但是,对设计工程师来说,处理开关电容会更难一些。

如果需要增益充分利用ADC的输入范围,那么倾向于采用变压器的应用会随着需要的增益(匝数比)增大变得越来越困难。

当然,困难程度会随着频率的增高而增加。采用一个带缓冲器的ADC来设计一个低于100 MHz的中频(IF)系统要比采用不带缓冲器的ADC设计一个小信号高IF系统要相对容易一些,如图3所示。由于引进许多不同的参数,权衡利弊往往会变得很难,而且常常为跟追改变元件和评估参数的过程而感到困惑。

3. 设计难度与频率的关系

随着设计的改进,使用电子数据表格记录所有的参数可能很有用。不存在满足所有情况的最佳设计方案;它取决于可提供的器件和应用技术指标。

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芯柱111与初级绕组12之间设有绝缘架15。绕制初级绕组12时,先将绝缘架15固定安装于专用绕线机上,再根据变压器10电压比的设计要求绕制初级绕组12相应的匝数。
[0048]需要说明的是,如图1所示,绝缘架15呈矩形框架,故于其上所绕制的初级绕组12也呈矩形;次级绕组13的线匝132为铜带线匝132,且其呈条带状,其线圈呈矩形;绝缘架15、隔离片14均为绝缘材料,且绝缘架15、次级绕组13及隔离片14均通过机械模具成型,这样,各部件通过机械模具成型,其生产能效高,且结构一致性得到保证,即保证了其电气特性分布参数的一致性;
[0049]此外,如图1所示,矩形的绝缘架15及初级绕组12套设于第一 E形铁芯11的中部铁芯柱111上之后,可根据中部铁芯柱111与两侧部铁芯柱112之间的间隙大小,来合理调整次级绕组13铜带线匝132宽度及高度,并为隔离片14安装预留足够的空间,这样,可最大限度地利用第一 E形铁芯11绕线窗口面积,即能够最大限度地提高变压器10的材料利用率,减少材料浪费;矩形的次级绕组13、初级绕组12及绝缘架15依次嵌套,各部件结构简单,组装工序简单,操作方便,散热系统佳,并大大增强变压器10的拉载能力。
[0050]还需要说明的是,如图1所示,次级绕组13的材料采用红铜材质,其导热系数能达到395W/m.K ;在根据电器功率需求而计算出的次级绕组13导电面积后,可根据需求灵活控制次级绕组13铜带线匝132的宽度与厚度,即电器功率需求为小功率时,铜带线匝132选较薄村料,电器功率需求逐渐增大时,铜带线匝132逐渐加宽、加厚;
[0051]并且,次级绕组13套于初级绕组12的外周侧,这样,不需包覆绝缘胶带,属于开架式结构,散热较佳,组装容易,其电气特性分布参数的一致性也较好,满足批量化生产的需要。
[0052]此外,由于次级绕组13的线匝132与引脚组131为一体成型,这样,减小了次级绕组13的直流电阻,转换效率得到提升。
[0053]本实施例关于次级绕组13为多匝数二引脚(即多匝数二抽头)的优选实施方式:
[0054]如图3和图4所示,引脚组131包括两侧引脚1311,线匝132的起绕端及终绕端分别连接一侧引脚1311。对于多匝数二引脚的次级绕组13来说,线匝132的起绕端及终绕端两端的侧引脚1311电压就是一正一负,这样,次级绕组13就只有两个电压。
[0055]本实施例关于次级绕组13为多匝数三引脚(即多匝数三抽头)的优选实施方式:
[0056]如图1、图5和图6所示,引脚组131包括两侧引脚1311及一中间引脚1312,线匝132的起绕端及终绕端分别连接一侧引脚1311,且起绕端及终绕端的中间线匝132连接中间引脚1312。对于多匝数三引脚的次级绕组13来说,除了线匝132的起绕端及终绕端两端的侧引脚1311电压是一正一负之外,起绕端及终绕端的中间线匝132所连接的中间引脚1312也具有一电压,该电压相对于两端侧引脚1311的电压居中,电压刚好为零,这样,次级绕组13就有三个电压。次级绕组13的引脚越多,其变压器10的初级绕组12及次级绕组13的匝数比变化越多,即电压比变化越多,其变压器10的抗干扰能力将越强。
[0057]如图1和图8所示,底座17具有底板171,底板171两侧端分别设有侧板172,侧板172与底板171的连接过渡处设有用于支撑稳固第一 E形铁芯11的凸台173。这样,将与第二 E形铁芯或I形铁芯16对接的第一 E形铁芯11整体放置于凸台173上,并通过侧板172抵靠定位,第一 E形铁芯11稳固地支撑于底座17上。
[0058]如图1和图8所示,为了便于将第一 E形铁芯11支撑于底座17上,底板171上还开设有用于与引脚组131配合的导正孔174。这样,在安装第一 E形铁芯11时,只需要将次级绕组13上的引脚组131对应插入底板171上的导正孔174即可。
[0059]通常,为了便于实现变压器10与PCB电路板的电性连接,于PCB电路板与变压器10装配的位置上会铺设有铜,防止变压器10次级绕组13引脚组131各引脚之间短路,底座17的材料选择为塑胶,这样,能起到绝缘防护作用。
[0060]同时,如图1和图8所不,为了使得变压器10散热系统更为优良,侧板172上开设有用于将初级绕组12及次级绕组13热量散发出去的通风孔175。
[0061]通风孔175的数量为多个,凸台173的数量也为多个,多个通风孔175与多个凸台173错开排布,更加充分地利用了底座17上的内部空间,达到兼顾稳固支撑第一 E形铁芯11和及时为初级绕组12与次级绕组13散热降温的双重最优效果。
[0062]本实施例还提供了上述变压器10的制造方法,如图9所示,包括以下步骤:
[0063]a)将绝缘架15固定于专用绕线机上,根据相应匝数的设计要求绕制初级绕组12 ;
[0064]b)将次级绕组13套设于初级绕组12的外侧;
[0065]c)于次级绕组13的线匝132两侧加装隔离片14,将绝缘架15、初级绕组12、次级绕组13及隔离片14整体套于第一 E形铁芯11的中部铁芯柱111上;
[0066]d)将第二 E形铁芯或I形铁芯16与第一 E形铁芯11对接;
[0068]在步骤d)中,还包括在第一 E形铁芯11与第二 E形铁芯或I形铁芯16的接合处点黑胶固定。
[0069]在步骤e)中,还包括将引脚组131各引脚对准各导正孔174,引脚组131各引脚采用点黑胶固定于各导正孔174中。
[0070]本实施例提供的上述变压器10的制造方法相比较现有技术的有益效果:
[0071]如图1和图11所示,采用上述变压器10的制造方法所制造得到的变压器10,其将初级绕组12、次级绕组13 —次独立绕制,且将次级绕组13套设于初级绕组12外周,并将引脚组131与线匝132 —体成型,这样,绕法简单,绕制工艺受人工、机械等影响较小,工序简单,成品体积小,生产效率高;此外,为了保证次级绕组13规则绕线,于次级绕组13的线匝132两侧加装隔离片14,将绝缘架15、初级绕组12、次级绕组13及隔离片14整体套于第一E形铁芯11的中部铁芯柱111上,隔离片14保证了次级绕组13绕制于中部铁芯柱111上的垂直性,从而保证了其电气特性分布参数(主要指漏感、寄生电容等)的一致性。
[0072]以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
1.变压器,其特征在于:包括第一E形铁芯以及与所述第一 E形铁芯对接配合形成磁通回路的第二 E形铁芯或I形铁芯,所述第一 E形铁芯具有悬空的中部铁芯柱及两侧部铁芯柱,所述中部铁芯柱上套设有绝缘架,所述绝缘架上绕置有初级绕组,所述初级绕组外周设有次级绕组,所述次级绕组一体连接有引脚组,所述次级绕组与所述侧部铁芯柱分别插设有用于保证所述次级绕组规则绕线的隔离片,所述第一 E形铁芯架设于一底座上。2.如权利要求1所述的变压器,其特征在于:所述隔离片上设有至少三隔离条,所述次级绕组包括匝数至少为二且沿轴向成单匝环绕延伸的线匝,每相邻两所述隔离条之间形成一用于容置单一线匝且防止每相邻两所述线匝相互短路的隔离槽。3.如权利要求2所述的变压器,其特征在于:所述引脚组包括两侧引脚,所述线匝的起绕端及终绕端分别连接一所述侧引脚。4.如权利要求2所述的变压器,其特征在于:所述引脚组包括两侧引脚及一中间引脚,所述线匝的起绕端及终绕端分别连接一所述侧引脚,且所述起绕端及所述终绕端的中间所述线匝连接所述中间引脚。5.如权利要求3或4所述的变压器,其特征在于:所述底座具有底板,所述底板两侧端分别设有侧板,所述侧板与所述底板的连接过渡处设有用于支撑稳固所述第一 E形铁芯的凸台。6.如权利要求5所述的变压器,其特征在于:所述底板上还开设有用于与所述引脚组配合的导正孔。7.如权利要求5所述的变压器,其特征在于:所述侧板上开设有用于将所述初级绕组及所述次级绕组热量散发出去的通风孔。8.如权利要求1?7任一项所述变压器的制造方法,其特征在于,包括以下步骤: a)将所述绝缘架固定于专用绕线机上,根据相应匝数的设计要求绕制所述初级绕组; b)将所述次级绕组套设于所述初级绕组的外侧; c)于所述次级绕组的所述线匝两侧加装所述隔离片,将所述绝缘架、所述初级绕组、所述次级绕组及所述隔离片整体套于所述第一 E形铁芯的所述中部铁芯柱上; d)将所述第二E形铁芯或所述I形铁芯与所述第一 E形铁芯对接; e)将所述第一E形铁芯放置于所述底座上。
【专利摘要】本发明涉及变压器的技术领域,提供变压器,包括第一E形铁芯及第二E形铁芯或I形铁芯,第一E形铁芯具有中部铁芯柱及两侧部铁芯柱,中部铁芯柱上绕置有绝缘架,绝缘架绕置有初级绕组,初级绕组外周设有次级绕组,次级绕组一体连接有引脚组,次级绕组与侧部铁芯柱分别插设有隔离片。本发明还提供变压器的制造方法,采用上述制造方法制得的变压器,其将初级绕组、次级绕组一次独立绕制,且将次级绕组套设于初级绕组外周,并将引脚与线匝一体成型,绕法简单,绕制工艺受人工、机械等影响较小,成品体积小,生产效率高;此外,于次级绕组的线匝两侧加装隔离片,保证次级绕组绕制于中部铁芯柱上的垂直性,从而保证其电气特性分布参数的一致性。
【发明人】刘祖贵, 于吉永, 黄昌斌
【申请人】中国长城计算机深圳股份有限公司
【公开日】2016年6月8日

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