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1、.电子电路课程设计第一章电子电路课程设计综述11课程设计的目的和要求一、电子电路课程设计的目的电子电路课程设计是建立在已学的模拟电子技术和数字电子技术课程以后,综合运用这两门课程所学的理论知识,实际的进行一次课题的设计、安装和调试,其目的有以下几个方面：1 通过对电子技术的综合运用,使学到的理论知识相互融泄贯通,在认识上产生一个飞跃。课程设计和平时作业题是有区别的,作业题是为了加深对课堂所讲知识的理解,它容较窄、训练第一,且是经过抽象加工后给出的理想化的条件,因而有唯一答案,而课程设计是实际的电路装置,它涉及的知识面广,需要综合运用所学的知识,它一般没有固定的答案、需要从实际出发、通过调查研究
2、,查寻资料、方案比较及设计、计算等环节,才能得到一个较理想的设计方案,更重要的是,它不光是停留在理论设计和书面答案上,而要做出符合设计要求的实际电路。所以说,课程设计是一门知识的应用、综合、智力开发创新、工程技能训练、理论性和实际性极强的课程。2初步掌握一般电子电路设计的方法,使学生得到一些工程设计的初步训练,并为以后的毕业设计奠定良好基础。3培养同学自学能力,独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题,通过独立思考、查找工具书、参考文献、寻求正确答案；对实验中碰到的一些问题,能通过观察、分析、判断、改正、再实验、再分析等基本方法去解决。4通过课程设计这一教学环节,树立严肃认真,文明仔细
3、,实事的科学作用,树立生产观点,经济观点和全局观点。二、课程设计的要求1要独立完成设计任务,通过课程设计,锻炼自己综合运用所学知识的能力,并初步掌握电子技术设计的方法和步骤,而不是照抄照搬,寻找现成的设计方案。2熟悉电子线路 CAD 中 EWB5.0 软件的使用方法。3学会查阅资料和手册,学会选用各种电子元器件。4掌握常用的电子仪器仪表使用,如直流稳压电源、直流电压、电流表、信号源、示波器等。5学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法,善于在调试中发现问题和解决问题。6能够写出完整的课程设计总结报告。12 电子电路课程设计步骤与安排一、电子电路课程设计的步骤方案设计1拟定系统方案框图画出系统框
4、图中每框的名称、信号的流向,各框图间的接口。1/53.2方案的分析和比较所拟的方案可以有多种,因此要对这些方案进行分析和比较。比较方案的标准有三：一是技术指标的比较,哪一种方案完成的技术指标最完善的；二是电路简易的比较,哪一种方案在完成技术指标的条件下,最简单、容易实现；三是经济指标的比较,在完成上指标的情况下,选择价格低廉的方案。经过比较后确定一个最佳方案。单元电路的设计和计算对每一个功能框图进行设计和计算；1选择电路的结构和型式；2组成电路的中心元件的选择；3电路元件的计算、选择如电阻元件、计算出电容的容量,然后根据标称值选定电容的容量和耐压。4核算所设计的电路是否满足要求。5画出单元电路
5、的原理电路图。总体设计1把各个单元电路联接起来,注意各单元电路的接口、耦合等情况。画出完整的电气原理图。2列出所需用元件明细表以上步骤采用计算机设计和仿真,利用EDA软件对所需设计的电路进行设计和调试。安装和调试在安装之前,最好能对各个元件的质量进行测试和检验,以减少调试中的故障。在安装过程中,尽量注意安装的技术规化和避免损坏元件。然后是调试,包括单元电路的性能调试和整个电路的技术指标测试。在调试过程中,要善于发现问题,并找出解决办法,从中摸索出调试的一般方法和规律,总结出有用的实践经验。总结报告课程设计总结报告,包括对课程设计中产生的各种图表和资料进行汇总,以及对设计过程的全面系统总结,把实
6、践经验上升到理论的高度。总结报告中,通常应有以下容：设计任务和技术指标；对各种设计方案的论证和电路工作原理的介绍；各单元电路的设计和文件参数的计算；电路原理图和接线图,并列出元件名细表；实际电路的性能指标测试结果,画出必要的表格和曲线；安装和调试过程中出现的各种问题、分析和解决办法；说明本设计的特点和存在的问题,提出改进设计的意见；本次课程设计的收获和体会。二、时间安排电工电子电路课程设计时间安排有一周和二周分1布置任务由教师给学生布置设计任务,提出具体要求,讲解课程设计的方法、思路。2设计2/53.学生根据设计要求,查找各种必要的资料,进行方案选择,并在计算机上用 EWB5.0 软件设计出各
7、单元电路、整体电路、计算和选择元件参加,进行虚拟调试,最后打印出原理图和接线图,并将设计结果存盘。3安装调试在实验室将所设计的电路安装、调试。4总结报告第二章模拟电子电路设计方法第二章模拟电子电路设计方法21概述一、典型模拟电子系统的组成模拟电子系统又叫模拟电子装置,它是由一些基本功能的模拟电路单元组成而成的。通常人们所用到的扩音机、收录机、温度控制器、电子交流毫伏表、电子示波器等,都是一些典型的模拟电子装置。尽管它们各有不同的结构原理和应用功能,但就其结构部分而言,都是由一些基本功能的模拟电路单元有机组成的一个整体。一般情况下,一个典型的模拟电子电路系统,都是由图 2-1 所示的几个功能框图
8、构成。系统的输入部分一般有两种情况：一是非电模拟物理量通过传感器和检测电路变换成模拟电信号作为输入信号；二是直接由信号源输入模拟电压或电流信号。系统的中间部分大多是信号的放大、处理、传送和变换等模拟单元电路,使其输出满足驱动负载的要求。系统的输出部分为执行机构,通称之为负载。它的主要功能是把输入符合要求的信号变换成其它形式的能量,以实现人们所期望的结果。比如扬声器发声、继电器、电动机动作、示波管显示等。系统的供电部分供出各种电子单元电路的直流电流和作信号变换处理有的一定频率一定幅值的交流电源。图 2-1典型模拟电子系统的组成框图由于系统的输入部分和输出部分涉及其它的学科容,这部分的理论知识只要
9、求拿来我用即可,不作重点研究。我们的重点则放在信号的放大、传送、变换、处理等中间部分的设计,另外为保证系统中间部分正常工作,供电电源的设计也是我们要讨论的容。综上所述,模拟电子系统的设计,所包含的主要容如下：模拟信号的检测、变换及放大电路波形的产生、变换及驱动电路系统模拟信号的运算及组合模拟运算系统直流稳压电源系统不同功率的可控整流和逆变系统等二、模拟电路设计的主要任务和基本方法模拟电路知识告诉我们,任务复杂的电路,都是由简单的电路组合而成的,电信号的放大和变换也是由一些基本功能电路来完成的,所以要设计一个复杂的模拟电路可以分解成若干具有3/53.基本功能的电路,如：放大器、振荡器、整流滤波稳
10、压器,及各种波形变换器电路等等,然后分别对这些单元电路进行设计,使一个复杂任务变成简单任务,利用我们学过的知识即可完成。在各种基本功能电路中,放大器应用的最普遍,也是最基本的电路形式,所以掌握放大器的设计方法是模拟电路设计的基础。另外,由于单级放大器性能往往不能满足实际需要,因此在许多模拟系统中,采用多级放大电路,显然,多级放大电路是模拟电路中的关键部分,它又具有典型性,是课程设计经常要研究的容。随着生产、工艺水平的提高,线性集成电路和各种具有专用功能的新型元器件迅速发展起来,它给电路设计工作带来了很大的变革,许多电路系统已渐渐由线性集成块直接组装而成,因此,必须十分熟悉各种集成电路的性能和指
11、标,注意新型器件的开发和利用,任借基本的公式和理论,以及工程实践经验,适当的选取集成元件,经过联机调试,即可完成系统设计。由于分立元件的电路目前还在大量使用,而且分立元件的设计方法比较容易为初学设计者所掌握,有助于学生熟悉各种电子器件,以及电子电路设计的基本程序和方法,学会布线、焊接、组装、调试电路基本技能。为此,本章首先选择分立元件模拟电路的设计,帮助学生逐步掌握电路的设计方法,然后重点介绍集成运算放大器应用电路和集成稳压电源的设计。22放大电路的一般设计方法一、单级放大电路的设计从已学过的电路知识可知,单级放大电路的基本要：放大倍数要足够大,通频带要足够宽,波形失真要足够小,电路温度稳定性
12、要好,所以设计电路时,主要以上述指标为依据。例 1 设计一个分压式射阻偏置的典型放大电路给出的技术指标要求为：电 压 放 大 倍 数 Av =100；输 入 信 号 电压Ui=20mV,f=1KHZ;负载电阻 RL=6K；工作温度围045。设计方法步骤：选择半导体三极管从给出的技术要求可知,该电路工作在低频小信号场合,工作温度围又较宽,故可选择热稳定性较好的低频小功率三级管 3DG6B,从手册上查出它的主要参数是 PCM=100mW,ICM=20mA,UCEO20V,图 2-2典型放大单元对该管进行实测得=60。确定电源电压 EC为保证放大输出信号幅度的动态围UOM不会产生非线性失真,一般取
13、ECUCED。由于输入信号电压幅值为Uim=2Ui=1.4120=28.2mV则输出信号电压幅值为 Uom=AuUim=10028.2=28.2V若取三极管馆和压降的临界值UCES1V,则静态集一射压降设置在U CEQUom+UCES=3.82V又由于这种典型放大单元静点的工程条件是I1I2IB和 VBUBE4/53.锗管 UB=13V一般取 I1=I2=IB和 VB=UBE硅管 UB=35V若近似取 VEVB=4V再按 EC2Uom+VE+2UCES=23.82+4=11.6V考虑留有余量取 EC=12V。计算和确定集电极电阻RC由放大电路的静、动态分析可知,RC是决定静态工作点和满足电压增
14、益AU要求的一个关键元件。一般应从输入至输出逐步推算。先确定输入回路的动态围基极信号电流的幅值为Ibm=Uim28.2mV,取若 rbe=1K,则 Ibm=28.2Ibe1103为了使输入动态信号不出现非线性失真,即信号动态工作不进入输入特性下面的弯曲部分,通常取最小基极电流ibmin10A则静态基流IBIbm+iBMIN=28.2+10=38.2取 IB=40A再在输出回路进行静态计算管子的电流放大作用有IC=IB=6040=2,4又由于 EC=ICRC+UCEQ+VE若取 UCEQ=VE=4V 则RC=ECUCEQVEIC1244=1.66取标称值 1.8K2.4计算确定射极电阻 REVB
15、UBE40.6=1.4取标称值 1.5KIE2.4计算确定RB1、RB2RE=由 I1I2=IB,取 I1=I2=5IB=540=0.2再按RB2=VB4=20K 即为标称值I20.2E-V124RB1=CB=40K取标称值 39K或 43KI10.2以上所确定的各电阻元件的阻值后,还要检验它们的额定功率,即12PRCICRC=2.42.41.80.01取W RJ1.8K电阻812PREICRE=2.42.41.50.008取W RJ1.5K电阻81PR10.20.2400.0016取W RJ43K电阻B161PR20.20.2200.0008取W RJ20K电阻B165/53.确定耦合电容和
16、射极旁路电容C1、C2和 CE工程计算式分别为：12fL(RS+Ri)1C22fL(RO+RL)1C32fLREC1式中下限频率 fL20HZ,信号源阻 RS=几欧几十欧,输入电阻 Rirbe,输出电阻 RORC,RE为与R+rCE构成回路的等效电阻,且 RE=RESbe,RS=RSRB,RB=RB1RB2。1+如放大电路是用于放大低频信号,则耦合电容和射极旁路电容的容量可不必按上式计算,可直接取经验近值：C1=C2=10-20F/16VC1=C2=125F校验A取标称值CE=50-100F/16VCE=50200F26mV26由于 rbe=200200+61=860=0.86KIEmA2.4
17、RL=RCRL=1.86=1.39K AU=R601.39L=96.9797100 不符合指标要求rbe0.86必须再按上述计计算步骤得新计算,直至AU100 为止。二、多级放大器的设计(一)多级放大器的组成多级放大电路其基本构成如图2-3 所示。其中输入和中间放大级称前置级,主要用来放大微小的电压信号；而推动级和输出级又称为功率级,主要用来放大大信号以获得负载要求的最大功率信号输出。由于放大电路中引入负反馈,可以改善放大器诸多方面的性能,故在多级放大器中几乎毫无例外地都引入了负反馈。注意：负反馈引入后使放大器的放大倍数下降,因此在设计多级放大器时总是事先将其开环放大倍数设计得足够大,有选择引
18、入本级或级间负反馈后,使其放大倍数降图 2-3多级放大器的组成框图低至系统指标要求的水平上。在具体设计时应合理配置好。二多级放大器的技术指标要求设计一个多级放大器时,总是要事先给出下列一些技术指标：1放大器的总电压放大倍数 AU有时给出灵敏度、输出信号辐度 Uom、Iom或输出信号功率Po和 Pomax等。2 放大器的频率响应亦叫通频带f=fH-fL。3 输入、输出电阻 Ri=Ri1,Ro=Ron。4 失真系数亦叫失真度 式中U2U2+U23+UU1信号电压各次谐波分量的均方根值,U1信号电压基波分量。6/53.5噪声系数NF=6稳定性dUN100%UN为噪声电压UidAU100%AU三多级放
19、大器方案设计的主要任务根据给出的技术指标要求,按步骤进行下述的设计工作：1 确定放大器的级数和各级的增益分配比如给定的总放大倍数增益为AU,需 n 级放大单串接起来实现,设每级增益为 Aui。根据多级放大的总增益一般式AU=AU1AU2Aun=Ai=1nUi1 若每个放大级的增益是平均分配的话,则放大级的级数为n=logAUA(dB)或n=UlogAUiAUi(dB)2 实际放大系统中的增益并不是平均分配的,一般是输入级增益安排小些。中间级增益安排大,末级电压增益安排小,功率增益安排大。考到本级负反馈引入,应将其增益比规定分配的增益再增大1左右；对于低频放大器引入负3反馈的主要目的是减小非线性
20、失真,通常取反馈课度|1+AF|=10 就可以了；对检测仪表用的高增益、宽频带放大器来说,引入负反馈的目的主要是提高增益稳定性和展宽通频带,反馈课度可取|1+AF|=几十几百即较深的负反馈有AuF1,且各单级采用电流串联和电压并联交替反馈F方式,以避免级间反馈而引入的自激。多级放大器级数的确定,还可以用经验方法：将规定的总增益变换成闭环增益后1 若增益|AU|为几十倍时,采用一级或至多两级；2 若增益|AU|为几百倍时,采用二级或三级；3 若增益|AU|为几千或上万倍时,采用三级或四级。这里特别指出的是,多级放大器在进行级联时,往往在两级之间串插一级电压跟随器,尽管它本身电压增益|AU|1,但
21、它具有缓冲和阻抗匹配作用,对多级放大器的稳定工作和提高总增益是有利的。2 电路型式的确定电路形式包括各级电路的基本形式,偏置电路形式、耦合方式、反馈方式及各级是采用分立元件电路还是集成运放电路等。1 电路的基本形式分立元件电路有三种基本形式共射极 共源极电路、共集极共漏极电路、共基极共栅极电路和差动比较放大电路。至于选择那一种基本形式电路,按各级所处的位置、任务和要求来确定：输入级主要根据被放大的信号源XS来确定。比如信号源为电压源US,则应选择高输入阻抗的放大级；信号源为电流源iS,则应选择低输入阻抗放大级。又由于输入级工作的信号电平很低,噪声影响很大,因此应尽可能采用低噪声系数的半导体器件
22、 比如 NF小的场效应管或集成运放和热噪声小的金属膜电阻RJJ 元件,并尽可能减小该级的静态工作电源。7/53.中间级主要得到尽可能高的放大倍数。大多采用共射共源电路形式,或采用具有恒流负载的共射共源电路形式。输出级主要是向负载提供足够大的信号功率。电路形成的选择视负载阻抗而定,负载阻抗高可采用共射共源或共基电路；负载阻抗低则采用电压跟随器共集、共漏或集成运放的电压跟随器、VMOS 共漏电路和互补对称 OCL、OTL 电路及变压器耦合输出的最佳阻抗匹配型功率放大电路。2偏置电路形式的选择1 半导体三极管放大电路的偏置方式,常用的有固定偏置电路,分压式射阻偏置电路及集基并联电阻偏置方式三种；2
23、场效应晶体管放大电路的偏置方式,常用的有独立偏压方式,自给偏压方式和分压式偏置方式三种；3级间耦合方式的选择耦合电路的选择原则是让频率信号能不损失不失真的顺利传递,并且使前、后级静态尽可能独立设置。一般常用的有阻容耦合,直接耦合,变压器耦合等方式。其中直接耦合方式还应特殊的电平转移电路,以保证前、后级均具有合适的静态偏置要求。三、放大三极管的选择及电路元件参数的计算1 放大三极管的选择1 半导体三级管是属双极型的电流控制器件,它具有适用性强、频率围广、输出功率适应围大,故在分立元件放大电路中最为常用。选择半导体三极管作放大元件用时,应依据下述原则：URBCEO管子工作时承受最大反向电压ICM管
24、子工作时流过最大允许电流PCM管子工作时最大管耗管子特征频率 fT510fH,fH为组成放大电路的上限频率。=40150 为宜若选用值仍不满足 AU要求,则可用提高静态集极电流IC来适应 AU要求。|AU|=R26mV26mVL,rbe=200+(1+)rbeIEmAICmA2 场效应晶体管是单极型的电压控制器件,它具有输入阻抗高,噪声系数小,受温度和电磁场干扰小,功耗小,但频率围低,输出功率不大VMOS 例外。选择场效应管作放大元件用时,应按其特性参性参数：IDSS,UGS,UGS,gm,URBDSO,PDM及 fM来选择管子型号,以满足电路需要。3直流供电电源电压等级的确定在多级放大器中直
25、流供电电源电压标准系列等多级有1.5V、3V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 等种。1 分立元件放大电路,供电电压的选择是依据该放大电路输出信号电压的幅值 Uom和管子的耐压 URBCEO、URBDSO来确定,由下式URBCEOEC1.21.52Uom+Ucemin+VE式中最小集一射极压降 UceminUCES。但是一个由几级放大单元构成的多级放大器,既可用用同一大小的电压供电,也可以由输出至输入级逐级降小供电电压,以减小静态功耗,一般采用降压去耦电路来实现,见图2-4所示的电路。4各级静态工作点的选择和确定图 2-4电源去耦电路8/53.静态工作点设置的如何,直接影响放大器的性
26、能,一般是依据各放大级所处的位置和放大性能不同要求来合理选定。又因为一个多级放大器各个单级的供电电源不是一个电压等级,所以不同级的静态工作点要设置在不同基准上。1 前置级为保证最小失真和足够大的增益,静态工作点一般设置在特性曲线线性问分的下半部,为了减小噪声和静态功耗,静态电流不宜过大。输入级,若供电电压 EC=36V,则静态电流值围为中间级,若供电电压 EC=6V,则静态值围为IC=13mA 锗三极管稍小些UCE=23V2 输出级为获得最大的动态围和最小的静态功耗。静态工作点选择按下述原则进行：甲类放大电路静态工作点设置在交流负动线的中点附近,供电电源为单电源；推挽或互补对称电路工作时,供电
27、电源选用6V、12V、15V 或24V 在消除交越失真的前提下,尽量选取小的静态电流。其功率管静态电流取IC=2030mA。5 计算电路元件R、C 的参数,要选取规格式型号和系列标称值,并尽量选用同型号、同规格化的元件,以减少备件种类,具体的计算选择,见前例一。三、低频功率放大电路的设计功率放大电路主要考虑三个指标,即输出功率 P0,效率和非线性失真。功率放大器按其与负载的耦合方式和推动信号倒相方式的不同分为变压器耦合功率放大器,和无变压器互补对称功率放大器OTL 和 OCL 电路。由于变压器的体积与重量大、频率响应差,不能集成化等原因,从上世纪 70 年代开始,逐渐为互补对称电路所取代,因此
28、只计论互补对称电路的设计。例二设计一个低频功率放大低频功率放大器的技术指标要求：最大不失真输出功率 Pom8W；负载阻抗扬声器 RL=8；频率响应f=50HZ20KHZ；失真度3%；输入信号 Ui1000V；输入短路时,静出噪声电压 UN15mV；电源电压较大变化时,输出漂移UO100mV。设计方法、步骤：OCL 功率放大电路如图 2-5 所示OCL 电路,可以得到较大功率输出。电阻 R1、R2、R3和R4是用来减少复合管穿透电流,提高电路输出IO的稳定图 2-5 OCL 功放电路性和限流保护用。偏置电路采用 T5管组成恒压电路,保证功率输出管有合适的初始电流甲乙类放大而避免交越失真。推动级T
29、6组成共射放大电路,R6为其集极负载。2 供电电源的选择为保证电路安全可靠工作,通常使电路的最大输出功率 Pom比额定输出功率大一些,一般取PomPO输出信号电压幅度Uom2PomRL双电源供电电压|+UCC|=|-UEE|Uom因为当电路输出信号电压为最大时,T1,T2管已接近饱和,则UCCUCES+IER1+Uom于是取 Uom=UCC式中为电源利用效率,一般=0.60.8。当三极管饱和压降和射极电阻较大时,可选低9/53.些；反之,选高些。3 输出 T1、T2功率管的确定和 R1、R2的计算功率管的选择依据是 URBCEOUCEmox2UCCICMIC1moxUCCUCCRL+R1R12
30、PCMPC1mox=2Pom=0.2Pom30mA,则单管最考虑到功率管静态电流的存在,实际管耗比上式还要大一些,若静流 IC=20大功耗PC1mox 0.2Pom+ICUCC。根据上述计算结果,即可从手册上选出合适的功率管型号,考虑到对称性均取相同的硅功率管1=2,ICBO1=ICBO2,ICEO1=ICEO2,并且按散热要求选配好相应的散热器。限流电阻选择 R1=R2=0.050.1RL,通常取 R1=R2=0.5,R1,R2选得太小,电流稳定性差；选得太大,功耗过大。4 互初管 T3,T4的选择和相应电阻的估算R3,R4是减小复合管T3,T4穿透电流的射极分流电阻,估算它们阻值的前提是T
31、1,T2管的输入电阻对称,即因为输出T1,T2为大功率管,它们的rbe1 rbe2仅有10左右,工程估算中取R3=R4=510ri1,一般取 R3=R4=300。R5,R5是 T3,T4管的平衡电阻,考虑到IC3=IC4,则R5=R5工程估算中取R5=R5=R3ri1ICM3=ICM4时要考虑 R3、R4的分流作用和管子部的损耗,工程上常取从手册上选择T3为 NPN中功率三级管,T4为 PNP中功率三级管,且3=4,并使它们的参数满足URBCEO2UCCICM(1.1 1.5)IC1max1PC1max1PCM(1.1 1.5)5 计算偏置电路由于VB3-VB4=UBE3+UBE1+UBE4=
32、0.7+0.7+0.7=2.1V又因为 T5管接成电压并联负反馈类型,使偏置电压稳定恒偏压故输出电阻很小,并且还具有温度补偿作用。由图 2-7 可见UBE5=VB3-VB4=UBE5则 2.1=0.7R7+R8令 UBE50.7VR7R7+R8R+R8或7=3R7R7所以 R8=2R7为了保证 T5管基极电压稳定,常取IR8(510)ICQ55T5的静态集电流ICQ5要根据 T6的工10/53.作电流来确定,若将IR8和IUB3的分流忽略,可近似认为ICQ5 ICQ6于是有为了使偏置电压数值可调,可将 R8电阻改用一固定电阻和一可调电阻关联,且使R8=R8RPT5管的ICM5和U(RB)CEO
33、5要求不高,一般可选普通 3DG 系列管子即可。6 推动级 T6管电路的计算为保证信号不失真,T6管工作在甲类,要求ICQ63IB3max3IC3max3一般可取ICQ6=210mA由于 T5偏置电路输出阻抗很小,T6的集极直流负载主要是 R6,又因为VB4=0.7V,故R6=UCC VB4ICQ6一般取 R620RL依据U(RB)CEO6UCE6max=2UCCPCMUCCICQ6一般取PCM=5UCCICQ6ICM2ICQ6工作在甲类从手册上选择符合要求的PNP 型三级管。23集成运算放大器应用电路的设计1.反相比例运算电路的设计和调试反相比例运算电路属于电压并联负反馈放大电路,是应用最广
34、泛的一种基本电路,反相比例运算电路的设计,就是根据给定的性能指标,计算并确定集成运算放大器的各项参数以及外部电路的元件参数。设计要求：设计一个基本反相比例放大器,其性能指标和已知条件如下：闭环电压放大倍数 AUf,闭环带宽 BWf,闭环输入电阻 Rif,最小输入信号电压 Uimim,最大输出电压 UOM,负载电阻 RL,工作温度围。电路如图2-6 所示。设计方法：1）集成运算放大器的选择图 2-6反相比例放大电路选用集成运算放大器时,应先查阅有关产品手册,了解下列主要参数：开环电压放大倍数 Aud,开环带宽 BW,输入失调电压 Uio及输入失调电压温漂UioUio,输入失调电流Iio及输入失调
35、电流温漂,输入偏置电流IiB,差模输入电阻Ri和输出电TT阻 RO等,使之满足以下要求。为了减小比例放大电路的闭环电压放大倍数的误差,提高放大电路的工作稳定性,应尽量选用失调温漂小、开环电压放大倍数大、输入电阻高和输出电阻低的集成运算放大器,当给出闭环电压放大倍数相对误差列关系：AUf的要求时,则集成运算放大器的开环电压放大倍数 Aud必须满足下AUf11/53.AUf1AUf1+AUdFAUfAUf11AUf1AUfAUfAUdAUfAUfFAUfAUf此外,为了减小放大电路的动态误差主要是频率失真和相位失真,集成运算放大器的放大倍数一带宽积 GB 和转换速率 SR 还必须满足下列关系：GB
36、|AUf|BWfSR2 fmaxuoM式中 fmax输入信号的最高工作频率2）计算最佳反馈电路,可按下式计算由于 Rf也是运放的一个负载,为了保证放大电路工作时,不超过其允许的最大输出电流IOM,Rf值的选择还必须满足RfRLUOMIOM如果最佳反馈电阻较小,不满足这个要求时,就应另选一个最大输出电流 IOM较大的运放,或者牺牲闭环放大倍数精度,选用比最佳反馈电阻大的Rf值。3）计算输入端电阻 R1计算结果必须满足闭环输入电阻的要求,即 R1Rif。否则应改变 Rf,甚至另选差模输入电阻高的集成运放。4）计算平衡电阻 RPRP=R1RF5）计算输入失调温漂Uimim,否则应重选 Uio、Iio
37、及其温漂较小计算结果必须比最小输入信号Uimim小得多,即Ui的集成运放。调试方法：1 消除自激振荡,为了消除集成运放应用时的自激振荡,必须采用适当的相位补偿措施,其补偿电路及元件参数,除此所用集成运放有关外,还与应用时的闭环电压放大倍数大小有关,因此在进行相位补偿时,应根据所设计电路的实际闭坏电压放大倍数,从集成运放的使用手册中,查出相应的补偿电路及其元件参数。当比例放大器接上相位补偿电路后,即可接通电源,在放大器输入端接地的情况下,用示波器观察输出端是否有振荡波形,如有振荡波形,则应适当调整补偿电容,直至完全消除自激振荡为止。2 将输入端接地,接通电源,用直流电压表测输出电压,细心调节集成
38、运放的调零电位器,使输出电位为零。这样做,可以在调试时的环境温度下消除因输入失调参量所引起的静态输出误差电压。2 同相比例放大器的设计和调试同相比例放大器是一个电压串联负反馈放大电路,它具有高输入电阻,输出电压与输入电压同相等特点。是应用较广泛的基本电路组态之一,如图 2-7 所示。设计要求：设计一个同相比例放大器,其性能指标和已知条件如下：闭环电压放大倍数 AUf,闭环带宽 BWf,12/53.闭环输入电阻 Rif,最大输出电压 UOM,最小输入信号电压 Uimim,负载电阻 RL,工作温度围。1 集成运放的选择。在设计同相比例放大器时,对集成运放的选择原则除考虑反相比例放大器设计中提出的各
39、项要求外,还应特别注意此时存在共横输入信号的问题,除要求集成运放的共模输入电压围必须大于实际的共模输入信号幅值外,还要求有很高的共模抑制比。例如,当要求共模误差电压小于Uoc时,则集成运放的共模抑制比KCMR必须为 KCMRUicAUf。式中Uoc图 2-7同相比例放大电路Uic为集成运放输入端的实际共模输入信号。2 反馈网络元件的参数计算。最佳反馈电阻 RfoP为 RfoP=R1为 R1=RiRoAUf2RfoPAUf-1由于反馈网络也是集成运放的一个负载,为了保证电路工作时,不超过集成运放的最大输出电流IOM,反馈网络的元件参数还应满足下面关系：RLRfoP+R1UOMIOM3 计算平衡电
40、阻 RPRP=R1RfoP=R5式中 RS信号源的阻4 计算输入失调温漂,按式计算同相比例运算电路的输入失调温漂Ui,要求Ui百分之一时,则UiUimim。例如,当要求漂移误差小于Uimim。否则无法满足精度要求。100同相比例运算电路的调试方法请参阅反相比例运算电路的调试方法。3 多级交流放大器的设计当需要放大低频围的交流信号时,可以利用集成运放构成具有深度负反馈的交流放大器,由于交流放大器可以采用电容耦合方式,所以集成运放失调参量及其漂移的影响就不必考虑,这样用集成运放组成的交流放大器,便具有组装简单、调整方便和稳定性高等优点。两级交流放大器的设计举例设计要求：设计一个两级交流放大器,其性
41、能指标和已知条件如下：中频电压放大倍数 1000 倍,输入电20k,通频带 20Hz50Hz,最大不失真输出电压 5V,负载电阻 20k。设计方法：1 电路确定和电压放大倍数分配。本设计无特殊要求,电路组态的确定不受限制,此处由一同相交流放大器与一级反相交流放大器级联组成,并采用电容耦合方式,如图 2-8 所示。为了量降低放大器的信噪比,第一级电压放大倍数不宜太大,对于高电压放大倍数的电路尤其要注意一点。在本设计中选用 AuF1=10,AuF2=100。13/53.2 集成运放的选择。在交流放大器设计中,集成运放的选择应以满足交流放大器的上限频率fh为主要依据,为此集成运放的放大倍数带宽积应满
42、足下列关系GBAuffh或 GBAuffh式中 GB加相位补偿后集成运放的开环放大倍数一带宽积 GB加相位补偿后集成运放的单位放大倍数也称为零分贝放大倍数带宽 AUf各交流放大器的闭环电压放大倍数在本设计中,可选 XFC77 通用型集成运算放大器,从手册查得,XFC77 的单位放大倍数带宽GB=6MHzAUffh=10050kHz,满足要求。3 各级外电路元件参数的选择和计算。由于交流放大器采用电容耦合,集成运放失调参量的图 2-8两级交流放大器影响可以不考虑。因此,同相交流放大电路的平衡电阻RP1和反相交流放大电路的输入端电阻R2,可尽量选得大一些,一般为 10k以上。这样有利于提高各级放大
43、电路的输入电阻,且使耦合电容取值较小。对于第一级,RP1即是静态平衡电阻,也是整个放大器的输入电阻。按此交流放大器输入电阻的要求,选 RP1=20k。按 AUf1=1+RF1及 RP1=R1RF1和本级闭环电压放大倍数AUf1=10,即可求得R1=22k、R1RF1=200k。对第二级,可选 R2=10k,按本级闭环电压放大倍数 A Uf2=100,即可求得 RF2=1M。则平衡电阻 RP210k。4 文式桥振荡电路的设计和调试用集成运放所构成的正弦波振荡电路,有 RC 桥式振荡电路,正交式正弦波振荡电路,RC 移相式振荡电路和 RC 双 T 振荡电路等多种形式,最常用的 RC 桥式振荡电路又
44、称为 RC 串并联正弦波振荡电路,它适用于低频即 fo1MHz且频率便于调节。下面以文式桥振荡电路为例,介绍其设计方法和调节步骤。1 电路的组成和振荡条件。正弦波振荡电路,由 RC 串并联选频网络和同相放大器所组成,电路如图 2-9 所示。电路的振荡频率 fo为fo=12 RC起振的幅值条件为Rf2R1式中 Rf=R2+R3Rr RV二极管正向导通时的动态电阻2 电路的设计方法。一般说来,振荡电路的设计,就是要选择电路的结构形式,计算和确定电路元件参数,使其在所要求的频率围满足产生振荡的条件,从而达到使电路产生所要求的振荡波形,所以振荡条件是设计振荡电路的主要依据。图 2-9文式桥振荡电路例如
45、,设计一个振荡荡频率为fo=1kHz 的文式桥正弦波振荡器,其步骤如下：确定 RC 串并联选频网络的参数,RC 串并联选频网络的参数应根据所要求的振荡频荡fo来确定,为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运放输入和输出电阻的影响,应按下列关系来初14/53.选电阻 R 的值。RidRRo式中 Rid集成运放同相端的输入电阻,约几百千欧以上Ro集成运放的输出电阻,约几百欧以上1可计算出电容值为2RC11=0.0106F C=332foR6.2810 Hz(1510)取标称值C=0.01F,则R=15.9k,应注意选用稳定性较好的电阻和电容,否则将影响频率的稳如初选 R=15K,由 fo=定性。确定
46、 R1、RfR1和 R0的阻值,应根据起振的幅值条件来确定,由 Rf2R1,通常取 Rf=2.1R1,这样既能保证起振,又不至引起严重的波形失真。另外为了减小输入失调电流及其漂移的影响,还应尽量满足 R=R1Rf。于是取标称值 R1=20k,则 Rf=2.1R1=50.4k取标称值 Rf=51k。稳幅电路及其元件参数的确定。常用的稳幅方法,是根据振荡幅度的变化来自动地改变同相放大器负反馈的强弱以实现稳幅的。例如,幅度增大时,若能使反馈系数R1也自动增大,(R1+Rf)则负反馈作用加强,从而限制了振幅的继续增大,使振幅基本稳定。图2-8的稳幅电路由两只反向并联的二极管和电阻R3并联组成,利用二极
47、管正向电阻的非线性特性可实现稳幅。不难看出,在振荡过程中,两只二极管交替导通和截止。如果由于外界因素使振荡幅增大时,二极管的正向导通电阻 Rv减小,使 Rf减小,负反馈系数自动变大,反馈作用加强,从而使振幅基本稳定。关于稳幅二极管的选择应注意以下两点：A从提高振幅的温度稳定性来看,应选用硅二极管为宜。因为硅管比锗管的温度稳定性好。B为了保证上、下半波振幅对称,两只二极管的特性必须相同,应注意配对选用。稳幅二极管的接入,实现了振幅的稳定,而且二极管的非线性越强,负反馈作用变化越大、稳幅效果越好。但是,由于二极管的非线性,又会引起波形失真。这是因为在一个周期,二极正向电阻 RV将随输出电压的瞬时值
48、而不断变化。平均来看,它满足振荡的幅值条件,但从一个周期的每一瞬时来看,它又不能都满足振荡的幅值条件,故这种稳幅电路在一定程度上总会引起波形失真。为了限制二极管的非线性所引起的波形失真,在二极管两端并一个小电阻R3。显然,R3越小,对二极管非线性的削弱越大,波形失真也就越小,但稳幅作用也同时被削弱。可见,在选择 R3时,应注意两者兼顾。实验证明,当 R3与二极管的正向电阻接近时,稳幅作用和波形失真都有较好的效果。通常 R3选几千欧,并通过实验调整确定。当 R3选定后,R2的阻值也可初步选定,即R2=Rf-R3RvRF-1R32集成运放的选择。集成运放的选择,除希望输入电阻较高和输出电阻较低外,
49、最主要的是集成运放的放大倍数带宽积应满足下列关系：GB3f。3 振荡电路的调试。首先调整反馈电阻R2,使电路起振,且波形失真最小。如果电路不起振,说明振荡的幅值条件不满足,应适应加大 R2；如波形严重失真,则应适当减小 R2或 R3。其次是测量和调试振荡频率,为此应适当改变选频网络的参数。比如固定电容 C,改变电阻R,或固定电阻 R,改变电容 C,使电路的振荡频率满足设计要求为止。15/53.24直流稳压电源的设计直流稳压电源包括整流滤波电路,稳压电路以及保护电路等。随着集成技术的提高,电子设备整机向集成化发展,集成稳压器也得到迅速发展,故在设计稳压电路时,应首选集成稳压器。设计举例由于给定的
50、技术指标不同,直流稳压电源的电路形式是多种多样的,设计的步骤和方法也不完全相同。这里通过一个具体实例来说明设计的一般步骤和方法。一、设计要求任务,设计一个对偶式直流稳压电源。技术指标：输出直流电压 UO=15V,最大输出电源 IO=IA,电压调整率 SU0.1%/V,输出端纹波抑制比 SR60dB,有完善的过载、短路保护措施。二、设计步骤与方法 1初选电路根据技术指标要求,该直流稳压电源的稳压电路可选用由W7800系列和W7900系列三端固定式集成稳压器组成的同时输出正、负电压的稳压电路,其整流滤波电路采用桥式整流、电容滤波电路。初选电路如图 2-10 所示。该电路的特点是它们共用一组整流、滤