模电设计不得不看——模拟电路设计原则.ppt

电子电路的设计基础 一 电子产品的研制开发过程 1 选题是否合适关系到研制工作的难易和产品的经济效益 甚至是成败的关键 2 拟定性能指标是电子电路设计中最先遇到的问题 提出一套完整的 合适的性能指标 并不是一件容易的事 设计刚开始时提出的性能指标 某些方面可能不够准确或不切实际 某些要求可能提得太高 如精度太高 难以实现 安全系数太大 没有必要等等 这些问题可能要到预设计阶段 甚至试生产或使用阶段才能发现 因此 产品的性能指标一般要在研制过程中反复修改 才能最后确定 3 预设计 理论设计 包括拟定总体方案 方案比较与选择 单元电路的设计 单元电路的性能指标的确定 电路形式的确定 参数的计算和元器件的选定 画出总体电原理图等 5 工艺设计 包括抗电磁干扰的措施 印刷电路板的布线 各部件的布局及连接 机箱及面板的设计等等 4 实验与修改 单元电路的实验 各单元之间的联接实验 总体电路实验 测出数据 进行分析 并对电路或元件参数加以修改 6 试生产 样机制作完成以后 可根据具体情况试生产若干台样机 交使用单位试用 若发现问题 应及时改进 做出合格的定型产品 再进行鉴定 什么样的设计才算优良呢 大体可根据以下几方面来衡量 1 工作稳定可靠 保证能达到所要求的性能指标 并有一定的余量 2 电路结构简单 所采用的元器件品种少 体积小 且货源充足 3 成本低 4 耗电少 5 便于生产与维修 二 衡量设计质量的标准 通常 我们希望自己设计的电子电路能同时符合以上各项要求 但有时会遇到相互矛盾的情况 在设计中常常会遇到这样的情况 如果要想使所设计的产品耗电少或体积小 则势必要使成本增高或可靠性变差 在这种情况下 应当抓住主要矛盾 并折中处理 例如 对于用交流电供电的电子设备 如果电路总的功耗不大 那么功耗的大小不是主要矛盾 而对于用电池供电的便携式电子仪器而言 功耗的大小就是主要矛盾了 通过 模拟电子技术基础 课程的学习 掌握了各种单元放大电路和集成运算放大器应用电路的工作原理 并对电路的主要技术指标进行了分析和计算 这里主要从电路的设计和实际应用方面进行讨论 介绍几种常用单元电路的设计方法和设计原则 三 模拟电路的设计 模拟电子系统组成 一 放大器的设计 放大器的设计包括交流放大器和直流放大器的设计 随着电子技术的迅速发展 性能优良的集成电路产品不断涌现 给电子系统的设计带来了极大的方便 但是 这并不等于就不需要掌握分立元件放大电路的设计方法了 1 分立元件阻容耦合放大器的设计 多级放大器通常包括输入级 中间级和输出级 1 输入级 输入级的一个重要作用就是要能很好的与信号源匹配 如果信号源不允许取较大电流 则放大器的输入电阻太低会影响信号源的正常工作 因此 这时输入级就应采用具有高输入电阻的射极输出器或源极输出器 如果信号源内阻虽然较大 但取电流并不影响其正常工作 则输入级可用射极输出器或共发射极放大电路 这时可根据具体电路要求及参数选定 由于输入级的性能对整个放大电路的影响很大 因此 输入级的元器件的选择及其静态工作点的设置也要特别注意 2 中间级中间级的主要作用是提高电压放大倍数 通常采用电压放大倍数高的共发射极放大电路 或用共射 共基 共集组态电路等 通常输入级的三极管要选低噪声的高质量管子 电阻选用高精度的金属膜电阻 电路的静态工作点设置要尽量偏低 3 输出级 输出级的主要目的是让负载得到足够的信号功率 电路形式与负载有关 输出级通常采用射极输出器或互补对称电路 1 用集成运算放大器放大信号的主要优点 电路设计简化 组装调试方便 由于运放的开环增益很高 用其构成的放大器一般工作在深度负反馈的闭环状态 所以性能稳定 非线性失真小 运放的输入阻抗高 失调和漂移都很小 故很适宜于各种微弱信号的放大 又因其具有很高的共模抑制比 对温度的变化 电源的波动以及其他外界干扰都有很强的抑制能力 由运放构成的放大电路功耗低 体积小 寿命长 将使整机使用的元器件数大大减少 工作可靠性提高 且成本降低 2 集成运算放大器电路的设计 用运放组成的放大电路 按电路形式分为反相放大器 同相放大器和差动放大器三种 下面分别加以介绍 2 反相比例放大电路的特点和设计要点 闭环增益 AVF RF R1 理想 输入电阻 Rif R1 理想 实际 Rif R1 Rid RF 1 KAVO 上式中K R1 R1 RF 由以上实际运放的各计算公式和理想运放计算公式可以计算和分析电路按理想运放计算时产生的误差 从负反馈的角度来看 反相比例运算电路是属于电压并联负反馈 并联负反馈降低输入电阻 1 KAVo 倍 实际上降低的只是环内的电阻 即实际运放公式中的第二部分 而对于环外的输入电阻负反馈不起作用 所以理想时就等于R1 由此也可以看出反相比例放大器只适宜于信号源对负载电阻要求不高 小于500K 的场合 在设计反相比例放大电路时 要从多种因素来选择运放参数 关于运放参数的选择 例如 在放大直流信号时 应着重考虑影响运算精度和漂移的因素 为提高运算精度 运放的开环增益AVO和输入差模电阻要大 而输出电阻要小 为减小漂移 运放的输入失调电压VIO 输入失调电流IIO和基极偏置电流IIB要小 这些因素随温度的变化在运放输出端引起的总误差电压最大可为 IO 如放大交流信号 则要求运放有足够的带宽 即要求运放的带宽大于信号的频率范围 若开环带宽为BWO 则闭环带宽将展宽为 BWF BWOAVO R1 RF 外接电阻阻值的选择 对放大电路的性能有着重要的影响 通常有两种计算方法 一种是从减小漂移 噪声 增大带宽考虑 在信号源的负载能力允许条件下 首先尽可能选择较小的R1 然后按闭环增益要求计算RF 并取RP R1 RF 以减小人为地引入非平衡误差 另一种计算法是从减小增益误差入手 首先算得RF的数值 RF 最佳 Rid RO 2K 1 2 再按闭环增益计算R1 这里K为闭环放大倍数 反相比例放大电路的输入电阻不能太高 为克服这一毛病 可采用同相比例放大电路 如上图电路所示 闭环电压放大倍数 理想运放为 AVF 1 RF R1 输入电阻 Ri 理想 实际 Ri RS RID 1 KAVO 3 同相比例放大电路的特点和设计要点 同相比例放大电路的最大优点是输入电阻高 例如 A741 若开环增益AVO 5 104 开环输入电阻Rid 0 3 106 用作电压跟随器时K 1 则Ri RidKAVO 1 5 109 由于同相比例放大电路的反相端不是 虚地 其电位随同相端的信号电压变化 使运放承受着一个共模输入电压 这将使信号源的幅度受到限制 不可超过运放的最大共模输入电压 否则将带来很大的误差 甚至不能正常工作 设计同相比例放大电路时 对运放的选择除反相比例电路中提出的要求外 还特别要求运放的共模抑制比KCMR高 否则输入端将引入较大的误差电压 VICM KCMR 比例电阻的计算 一般应先计算最佳反馈电阻RF 其值为 然后按闭环增益的要求确定R1的数值 4 差动输入比例放大电路的特性和设计 简单的差动输入比例放大电路 运放输入的差模电压 Vid V2 V1 运放输入的共模电压 Vic 1 2 V2 V1 当R1 R2 R3 R4时 理想的闭环增益 在差动放大电路的设计中 电阻匹配的问题十分重要 差动电路的共模抑制比KCMR 由运放本身的共模抑制比K CMR和由于外部电阻失配而形成的共模抑制比K CMR两部分组成 设各电阻匹配 公差相同 电阻精度均为 则K CMR 1 R3 R1 4 差动电路的共模抑制比为 KCMR K CMR K CMR K CMR K CMR 由上式可知 闭环增益 R3 R1 愈小 电阻失配的影响愈大 甚至成为限制电路共模抑制能力的主要因素 且电路的共模抑制比KCMR只能小于K CMR 例如电阻精度为0 1 闭环增益为50的差动电路 KCMR K CMR 1 R3 R1 4 1250 电路的差模输入电阻 Rid R1 R2 共模输入电阻 RiC R1 R3 2 考虑到失调 频带 噪声等因素 反馈电阻R3不宜大于1M 如果取R3 1M 闭环增益为50 则R1 20K 差模输入电阻为40K 共模输入电阻近似于500K 为保证闭环差模增益在所要求的频率和温度范围内稳定不变 差动放大电路放大交流时 运放的开环增益须大于闭环增益100倍以上 单运放差动电路常用于运算精度要求不高的场合 为提高性能 常采用三运放精密放大电路 三运放差动电路 仪用放大器 即VO1 VO2 1 2R1 R2 Vi1 Vi2 VO Rf R VO1 VO2 Rf R 1 2R1 R2 Vi1 Vi2 设Vid Vi1 Vi2 二 有源滤波器的设计 滤波器在通信 测量和控制系统中得到了广泛的应用 一个理想的滤波器 应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益 而在通带以外 则具有无穷大的衰减 然而 实际的滤波器距此总有一定的差距 用运放和RC网络组成的有源滤波器 具有许多独特的优点 一方面 因为不用电感元件 所以免除了电感所固有的非线性 损耗 体积和质量大以及需磁场屏蔽等缺点 另一方面 由于运放的增益和输入电阻高 输出电阻低 所以能提供一定的信号放大和缓冲作用 这种滤波器的频率范围约为10 3 106Hz 频率稳定度可达 10 3 10 5 0C 滤波器的技术指标有 通带允许最大衰减 阻带应达到的最小衰减 上限截止频率 下限截止频率等 滤波器的幅频特性 滤波器类型选择 滤波器设计中需要考虑的一些原则 滤波器的类型选择内容很多 如低通 高通 带通 带阻的选择 有源 无源的选择 RC LC滤波器的选择等 下面仅就二阶RC有源滤波器的电路结构上的选择谈一谈 对运放的要求 在无特殊要求的情况下 可选通用运放 为了获得足够深的反馈 以保证所需滤波特性 运放的开环增益应在80dB以上 对运放频率特性的要求 由其工作频率的上限确定 设工作频率的上限为fH 则运放的单位增益频率应满足BWG 3 5 AffH 式中Af为滤波器通带的传输系数 如果滤波器的输入信号较小 如在10mV以下 以选低飘移运放为宜 电路元件参数的确定 在设计时 经常会出现待确定其值的元件数目多于限制取值参数的数目 例如 压控电压源型滤波器待确定其值的元件有六个 而限制元件取值的参数只有三个 即通带传输系数 自然频率 阻尼系数 因此 有多个元件组可以满足特性的要求 这就需要设计者自行选定某些元件值 一般从选定电容器入手 因为电容标称值的分档较少 电容难配 而电阻易配 电容值的初选可根据工作频率参照下表确定 表中的频率 对低通 指上限 对高通 指下限 对带通 带阻 指中心频率 一 EMC知识 EMCelectromagneticcompatibilityIntroduction 名词解释 EMC 电磁兼容 指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中 而不会引起其它产品或者自身性能下降或损坏的能力 名词 电磁干扰 2 EMI electromagneticinterference 电磁干扰 指一电子产品产生的破坏性电磁能通过传导或辐射的方式传到另一个电子设备的过程 名词 电磁抗扰度 2 EMS electromagneticsusceptibility 电磁抗扰度 设备或系统受电磁干扰而被中断或破坏的程度 EMC结构图 电磁干扰三要素 干扰源 能量源 被干扰对象 接收器 耦合路径解决电磁干扰的方法 屏蔽 接地 滤波 干扰源 接收器 辐射性 辐射包含两部分 产品向外的辐射量和外界对产品的辐射量 通过场传输 影响 辐射超标 抗干扰差 传导性 传导包含两部分 产品向外的传导量和外界对产品的传导量 通过线传输 影响 传导超标 通过导线影响其它产品的正常工作 抗干扰差 容易被其它产品影响 相关法规一 EMI 电磁发射 传导测试辐射测试 EMI检测 电磁屏蔽室 相关法规二 EMS 电磁抗扰度 静电放电抗扰度GB T17626 2 IEC61000 4 2电快速瞬变 脉冲群抗扰度GB T17626 4 IEC61000 4 4辐射电磁场浪涌 雷击 抗扰度注入电流抗扰度电压暂降和短时中断抗扰度 ESD现象 静电放电 静电放电 电源端口 信号端口 静电放电 静电放电测试 EUT至少应实施200次接触放电EUT至少应选择四个点实施接触放电狭缝 孔洞及表面的空气放电次数至少10次 名词解释 强制性产品认证 自愿性产品认证 强制性中国 CCC 美国 FCC 欧盟 CE 自愿性产品认证自愿性 UL 或 ETL 二 认证知识 认证知识 CCC中国强制认证2003 08 01实施 取代CCEE CCIB家电产品认证标准GB4343 1995 测量方法和允许值 家电产品认证标准GB4343 2 1999 抗扰度 标准 欧盟CE规定的标准测试要求最为严格 测试项目最多 包括包含电磁干扰 电磁抗干扰二部分 一般而言 能通过CE认证基本上能通过CCC认证 美国FCC认证采用的标准与中国3C 欧盟CE不同 而且产品工作电压不同 通过FCC认证的产品 并不一定满足3C认证和CE认证中的电磁兼容要求 电磁兼容和认证的关系 电磁兼容是其中之一产品型式试验产品跟踪试验工厂初次检查工厂跟踪检查 每年一次 特殊检查 认证标识 PCB知识 元器件一般特性PCB布线一般原则实例讲解 三 PCB中的EMC 元器件选择的一般规律 满足功能前提 选边沿速率低的 影响 导致回流 串话 振铃 反射增加输入电流 满足功能前提 电流最小封装 管脚短的 贴片 与地可形成去耦电容 PCB布线一般原则 1 功能区域 包含频带 元件的高 低频特性敏感器件辐射源易影响区域 PCB布线一般原则 2 地线与电源线之间是噪声所产生的原因 增加线