说在开头：关于引力波（2）

爱因斯坦虽然算出了引力波公式，但这玩意在当时根本没有办法检测，一般天文事件发出的引力波微乎其微，举个栗子：木星（质量是地球的300倍）绕太阳旋转，期间会不断辐射出引力波，其绕太阳绕一圈发出的引力波大概在五千瓦左右，实在太微弱了，而且木星公转周期是12年，检测一个周期长达12年的微小波动根本就不可能。要想检测引力波必须有两个条件：首先频率不能太低，其次就是强度要大。能符合这个条件的只能是中子星和黑洞。大质量恒星塌缩成中子星或黑洞时，发出的引力波微乎其微，因为完美对称的过程都不会产生引力波，要产生引力波就要靠不对称的东西，例如两个天体相互围绕旋转。

首先去探测引力波的人是韦伯，60年代末，他搞了一个大圆柱，圆柱上布满了感受应力的晶体：引力波是横波，那么圆柱在引力波的扭曲下会产生形变，晶体就能收集到这种信号。但是引力波非常微弱，而且很难变成其它能量，相比之下电磁波就比引力波强得多，也容易被探测。所以韦伯探测引力波的难度非常大，热噪声就足以将引力波给淹没了。科学家在不同地方建造了若干个实验装置，都没什么收获。

到了70年代，脉冲星（中子星）被发现，后来又发现了脉冲双星，两颗高密度的中子星，相互围着旋转，速度非常快，它们辐射出来的引力波也非常强。根据能量守恒定律：一部分能量随着引力波辐射出去，那么脉冲双星的总能量就要降低，轨道就会变小，越靠越近，最后撞到了一起。那么我们就来计算下每年这两颗星星靠近了多少，周期有什么样的变化。1974年美国科学家泰勒和赫尔斯就利用引力波的公式计算了一下能量损失状况，它们花了30年时间，仔细观测了这一对双星，发现观测结果跟引力波的计算是完全相符的，这是关于引力波的第一个靠谱的观测证据。1993年，泰勒和赫尔斯获得了诺贝尔奖，以奖励他们对脉冲双星的研究（压根没提对引力波观测的贡献）。

基普.索恩和他的老师惠勒以及米斯娜一起写了被称为引力圣经的《引力论》，他碰到了麻省理工的赖纳.韦斯，提供过了一个想法：利用激光干涉仪来探测引力波。两个人一拍即合，立马四处忽悠人忽悠钱，成立了“激光干涉引力波天文台（LIGO）”，到了90年代成了美国国家科学基金会资助的最大一个项目。索恩很擅长向公众普及科学知识，写科普书也是一把好手，总能深入浅出的讲明科学道理，退休后还闲不住，担任诺兰导演的电影科学顾问，拍出了《星际穿越》，《信条》等科幻大片。这老头非常乐观，他预计1980年就能探测到引力波，但现实却一次次让他失望。

索恩牵头推动的LIGO是一个大型的激光干涉仪：两条相互垂直的臂，激光束在里面穿行若干次，最后形成干涉条纹；假如引力波传播过来，光路有一丝的拉长缩短，干涉条纹就会偏移，被仪器检测到。LIGO观测所有两套干涉仪，一套放在路易斯安娜州的利文斯顿，另一套放在华盛顿州的汉福（如下图，每个都带有4千米长的臂并组成L型，两个相距3000千米），这两套干涉仪在一起工作构成一个观测所，微弱地震和其它干扰都可能看起来像是引力波信号，如果是此类干扰信号，那么只会记录在一台干涉仪上，另一台不受影响。而真正引力波信号被两台干涉仪同时记录。

LIGO从2003年开始收集数据，工作了一段时间还是一无所获，因为灵敏度还是不够高，后来又花了好几年来升级设备，然后刚一开机，还在调试阶段，就来了一个强信号。经过简单的滤波，肉眼都能看到这是是一个明显的振荡信号：引力波信号。

2015年9月14日，LIGO的两台探测器都观测到了GWW150914信号，从信号波形来看，他俩越转越激烈，最后撞到了一起合并成了一个更大的黑洞：一个36倍太阳质量的黑洞和29倍太阳质量的黑洞合二为一，瞬时辐射出的引力波包含的能量相当于3个太阳质量。2016年初引力波的话题瞬间引爆了整个社交网络和媒体，大家纷纷转载：引力波被人类发现了，此时距离爱因斯坦广义的相对论刚好过去了100年。（参考自:吴京平-柔软的宇宙）

一，电感器的应用

1，磁珠的应用

磁珠主要用于对传导（CE）/辐射（RE）干扰的抑制。

——电磁干扰（EMI）分为：传导干扰（CE）和辐射干扰（RE），主要差别在于传导干扰（CE）频段集中在30MHz以下，通过电缆为载体传播；辐射干扰（RE）频段在30MHz以上，通过空间辐射方式传播。具体后续《电磁兼容》专题分析。

1. 信号（data）与噪声（noise）的频率分布不同：一般信号工作于磁珠低频低阻区域，而噪声频段分布在磁珠的高阻区，从而达到有效抑制噪声电平的效果；

2. 如上图所示，对信号进行低通滤波：噪声频率越大则阻抗越大（阻抗来自于磁芯材料的损耗），从而噪声通过后的衰减越大；

——一般信号的频率<10MHz，抑制噪声信号的频率<2GHz（高频磁珠可以达到2G~3GHz范围）。

1, 通用磁珠：一般通流能力<0.5A；

2, 尖峰磁珠：用于屏蔽确定频率的强噪声；

3, 大电流磁珠：用于电源电路、大电流电路的噪声屏蔽，一般通流能力>0.5A。

根据不同磁珠的不同特性，磁珠可以应用于不同的硬件电路设计中：

3. 大电流磁珠最常用于DC电源的传导干扰抑制：应用在单板内芯片端电源输入管脚的噪声抑制，需要明确的是这种抑制是双向的：既抑制芯片电源干扰到单板电源，又阻止单板电源干扰到芯片电源管脚。如下图所示，电源上存在高频噪声，其频段为50MHz~250MHz，为了避免芯片受到板级电源平面上的高频噪声干扰，在芯片电源输入管脚端增加磁珠滤波（一般为π型滤波）。

4. 数字电路的干扰抑制：数字信号有丰富的高频谐波，容易产生辐射干扰，通过选择不同型号的磁珠来抑制不同的高频分量；这种硬件设计主要用在对外接口信号线上，防止噪声通过对外接口信号线传播到设备外面，造成RE超标。具体效果如下图所示。

5. 一般传导干扰（CE）以差模方式传播，辐射干扰（RE）以共模方式传播，所以采用不同的方式进行抑制；如下图所示。

高速数字信号，如USB2.0等，产生的干扰以辐射干扰（RE）噪声为主，可采用共模磁珠抑制，同时也可以改善信号质量。

2，叠层片式电感器的应用

叠层片式电感器的选择，须兼顾较小的电感量波动和较高的品质因数Q；中低频片式电感器采用铁氧体材料制作（高磁导率的黑色瓷体），高频片感采用陶瓷材料制作（低磁导率的白色瓷体）。叠层片式电感器由于体型较小，其额定电流（最大工作电流）一般小于0.5A；感量一般在nH~uH级别，精度J=±5% K=±10% M=±20%，Q值一般为40~70。

根据前期电感器特性的分析以及电感器实际应用，电感器需要工作在感值较稳定，感抗相对较大（达到良好抑制作用），Q值也相对较大的区域。如下图所示。

叠层片式电感器一般用于RF滤波电路，由LC组合构成，同时还有阻抗匹配的功能。工作频率较高时，要求电感器有较高的Q值与极高的L精度，以确保较低的插入损耗。各种不同LC滤波结构如下图所示。

低频、中频、高频电感器的曲线示例如下图所示，具体根据实际电路的工作频率，选择合适的电感器。

3，功率电感器/变压器的应用

功率电感器/变压器主要用于开关电源设计，开关电源中对于电感器/变压器的具体设计要求，会在后续《开关电源设计基础》中具体分析，如下为开关电源中对电感器比较关注的参数简要介绍：

1. 电感器的感值L的大小，主要影响开关电源输出纹波电流∆IL的大小：感值高纹波电流小，感值低则纹波电流大；同时纹波电流决定了磁芯损耗的大小；

2. 功率电感器的额定电，流选择Isat和Irms中较小的值，一旦超过额定电流，电感器性能无法保障，电感器在Buck开关电源中最大电流Imax = Io + ∆IL/2；

3. Rdc是电感器直流电阻值，是电感器在开关电源中损耗的重要组成部分，直流阻抗值越小越好；

4. 屏蔽电感器与非屏蔽电感器对外部的电路影响不同，同时非屏蔽电感器容易受到外部磁性元件或PCB铜皮的影响（涡流对电感器的影响，具体在《信号完整性》中分析）；所以尽可能使用磁屏蔽封装功率电感器。

根据开关电源工作频率的要求不同，我们需要选择不同磁芯材料的功率电感。一般开关电源的频率在几十KHz~几MHz的范围，所以锰-锌铁氧体磁芯其相对磁导率较高，而且工作频率也比较合适，如下图所示。

4，网络变压器的应用

网络变压器的使用，首先需要根据10M、100M、1000M不同的速率来选择合适的变压器。

1. 我们在使用网络变压器时，看到变压器中间抽头的接线方式有很多种：有些接电源，有些接地，这是什么原因？

这主要是由所使用PHY芯片的UTP驱动类型决定（参考PHY芯片资料推荐连接方式）：

1, 如果是电流驱动，就需要将网络变压器抽头接至电源；电源具体接多少，取决于PHY芯片的UTP端口电平；电流驱动类型驱动变压器的工作原理，如下图所示。

2, 如果是电压驱动，直接接一个电容到GND即可；其工作原理如下图所示。

写在最后

非常开心，经历了这么长时间，终于完成了阻容感硬件基础知识学习笔记分享。在没有动手写阻容感之前我那是自信满满：觉得这玩意简单的很，没啥花头；结果看的资料越多、越深，越发现自己有更多不懂的地方，最后只能硬着头皮，尽量自圆其说地把它写完（很多知识内容只能说是我个人的理解，如大家发现我瞎扯淡了，请务必纠正我）。所以整理这些知识内容对我本人也是有莫大的好处，同时更重要的是在这过程中，让我看到了自己的无知（嗯，苏格拉底要不服了：就你这样，也能说自己无知？）。

个人认为阻容感知识在硬件相关知识中有着非常重要的地位，是构成整个硬件设计的基础；我们在理解阻容感概念和特性的基础之上，才能够试着去搞明白其它硬件知识，所以在后续的硬件知识专题中，还会一次次地回顾阻容感基本概念和特性，同时通过这些回顾，我们又能更深入地理解阻容感本身。

上面这段话像是唱了一段“饶舌”，如果应要用一句话来表述，那就是：阻容感知识对硬件工程师来说很重要，对，非常重要。但大家可能看这些内容的时候感觉似乎懂了，但转念就忘了（我自己就是思考完后写完就忘），不过这也没啥关系，后面有的是机会回顾嘞。

本章节部分资料及图片参考自：“硬件十万个为什么”论坛相关文章。

~更多内容，欢迎关注：知乎“牧神园地”专栏更新~

阻容感基础11：电感器应用（终结篇）相关推荐

阻容感基础06：电容器分类（3）-薄膜电容器
说在开头:关于广义相对论爱因斯坦提出狭义相对论后,有很多物理学大牛都支持他,也有强烈的反对声音,但是更多人则默默地吃着瓜,因为当时物理学界没有几个人能看懂狭义相对论这玩意.对于一般的反对和质疑,爱因 ...
阻容感基础04：电阻器应用
说在开头:关于相对运动牛顿老爷子认为是存在绝对空间和绝对时间的,正如<论语>中的子曾说过:逝者如斯夫,不舍昼夜.时间哪,它就像一条河流,永远均匀且不停歇的流着,不依赖任何外界事物.而&q ...
阻容感基础10：电感器分类（4）-变压器
说在开头:关于引力波(1) 爱因斯坦在捣鼓相对论的时候,就隐约感觉到有引力波的存在,他认为:在这个宇宙中没有什么信号传播的速度能超越光速,那么引力传播也不可能超越光速,必定需要时间,那么显然就会以波的 ...
阻容感基础05：电容器原理（1）-电容器模型
说在开头:关于关于狭义相对论 19世纪末,大多数物理学家都认为宇宙中是有"以太"存在的(当然这个"以太",并非是现在的"以太网"),但是经过 ...
阻容感基础09：电感器原理（1）-电感器模型
说在开头:关于中子星(1) 有一个年轻的印度学生来到英国求学,这个小伙子叫钱德拉塞卡,那时候印度能上大学的人不多,他考入英国剑桥大学的三一学院读博士.钱德拉塞卡在船上一直思考关于恒星末日的问题:一个年 ...
阻容感基础09：电感器原理（4）-趋肤效应和气隙磁芯
说在开头:关于宇宙背景辐射 1909年意大利人马可尼发明了无线电通信后,到了30年代无线电通信慢慢发展成为了一个热门产业,那时大多还只依靠收音机,所以广播行业(比如,讲讲一些小笑话啥的)得到了大力发展 ...
阻容感基础10：电感器分类（1）-片式电感器
说在开头:关于暗物质(1) 1933年,兹威基是加州理工大学的一位年轻的学者(预言了中子星的人之一),当时他已经把注意力放在了后发座星系团上,这个星系团大约后1千个大星系,3万个小星系组成.要测量星系 ...
阻容感基础09：电感器原理（3）-电感器参数
说在开头:关于奥本海默极限我们跟随着爱因斯坦继续他的 "相对论"旅行,后续才会有"量子论"相关分享. 有一个美国年轻人名叫奥本海默(学通信的同学不要认错了,不 ...
阻容感基础09：电感器原理（2）-电感器基本特性
说在开头:关于中子星(2) 1932年在<自然>杂志上刊登了一篇叫做<中子可能存在>的文章,作者是查德威克.查德威克受益于法国实验物理学家约里奥-居里夫妇(不错,就是老一代居里 ...

阻容感基础11：电感器应用（终结篇）