1、 电子电路的设计基础电子电路的设计基础一、电子产品的研制开发过程一、电子产品的研制开发过程选选题题拟拟定定性性能能指指标标预预设设计计实实验验修修改改工工艺艺设设计计制制作作样样机机试试生生产产鉴鉴定定批批量量生生产产1.选题是否合适关系到研制工作的难易和产品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。的经济效益，甚至是成败的关键。2.拟定性能指标是拟定性能指标是 电子电路设计电子电路设计 中最先遇到的问中最先遇到的问题。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，某些件容易的事。设计刚开始
2、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，没太高（如精度太高，难以实现；安全系数太大，没有必要等等）。有必要等等）。这些问题可能要到预设计阶段、甚至试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，性能指标一般要在研制过程中反复修改，才能最后确定。才能最后确定。3.预设计（理论设计）预设计（理论设计） 包括拟定总体方案（方包括拟定总体方案（方案比较与选择）、单元电路的设计（单元电路的性能案比较
3、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。的选定）、画出总体电原理图等。5.工艺设计工艺设计 包括抗电磁干扰的措施、印刷电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、机箱及面板的路板的布线、各部件的布局及连接、机箱及面板的设计等等。设计等等。4.实验与修改实验与修改 单元电路的实验、各单元之间单元电路的实验、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）析，并对电路或元件参数加
4、以修改）6.试生产试生产 样机制作完成以后，可根据具体情样机制作完成以后，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，再进行鉴题，应及时改进，做出合格的定型产品，再进行鉴定。定。什么样的设计才算优良呢？大体可根据以下几方什么样的设计才算优良呢？大体可根据以下几方面来衡量：面来衡量：1.工作稳定可靠，保证能达到所要求的性能指工作稳定可靠，保证能达到所要求的性能指标，并有一定的余量。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，体电路结构简单，所采用的元器件品种少，体积小，且货源充足。积小，且
5、货源充足。3.成本低。成本低。4.耗电少。耗电少。5.便于生产与维修。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。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设计的产品 耗电少或体积小，则势必要使成本增高或耗电少或体积小，则势必要使成本增高或可靠性变差。可靠性变差。 在这种情况下，应当抓住主要矛盾，并在这种情况下，应当抓住主要矛盾，并折中处理。折中处理。例如，对于用交流电供电的电子设备
6、，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式电子仪器而言，功耗的大小就是主要矛盾了。盾了。通过通过 “模拟电子技术基础模拟电子技术基础 ”课程的学习，掌握了各种课程的学习，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，并对电路的主要技术指标进行了分析和计算。这里主要主要 从电路的设计和实际应用方面进行讨论从电路的设计和实
7、际应用方面进行讨论 ， 介绍几介绍几种常用单元电路的设计方法和设计原则。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模拟电子 系统组成系统组成信号源前置放大电压放大末前级功放 负载一）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。立元件放大电路的设计方法了
8、。1.分立元件阻容分立元件阻容 耦合放大器耦合放大器 的设计的设计多级放大器通常包括输入级、中间多级放大器通常包括输入级、中间级和输出级。级和输出级。1）输入级）输入级输入级的一个重要作用就是要能很好的输入级的一个重要作用就是要能很好的 与信号与信号源匹配源匹配 。如果信号。如果信号 源不允许取较大电流，则放大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输出器或源极输出器 。如果。如果 信号源内阻虽然较大信号源内阻虽然较大，但取
9、电流并不影响其正常工作，则输入级可用，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射极输出器或共发射极放大电路 ，这时可根据具，这时可根据具体电路要求及参数选定。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的选择及其静态工作点的设置也要特别注意。别注意。2.中间级中间级中间级的主要作用是中间级的主要作用是 提高电压放大倍数提高电压放大倍数 ，通常，通常采用电压放大倍数高的共发射极放大电路，或用采用电压放大倍数高的共发射极放大电路，或用共射
10、共射 -共基共基 -共集组态电路等。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，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。作点设置要尽量偏低。3.输出级输出级输出级的主要目的是输出级的主要目的是 让负载得到足够的让负载得到足够的信号功率信号功率 ，电路形式与负载有关。输出级，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。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。电路设计简
11、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。线性失真小。 运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很运放的输入阻抗高，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。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、寿命由运放构成的放大电路功耗低、
12、体积小、寿命长，将使整机使用的元器件数大大减少，工作可长，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。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，下面分别加大器、同相放大器和差动放大器三种，下面分别加以介绍。以介绍。2.反相比例放大电路的特点和设计要点反相比例放大电路的特点和设计要点RFViARPR1 VO闭环增益闭环增益 ： AVF=-RF/R1（ 理想）输入电阻输入电阻 ： Rif=R1（ 理想理想 ）实际实际 ： Rif=R1+Rid/（ RF/（
13、1+KAVO）VO1FKA11RR+-实际： AVF=输出电阻：理想输出电阻：理想 ： ROF=0 实际实际 ： ROF= RO1+KAVO上式中上式中 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式可以计算和分析电路按理想运放计算时产生的误差。差。从负反馈的角度来看，反相比例运算电路是属于电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（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，即实际运放公式倍，实际上降低
14、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，所以理想时就等于用，所以理想时就等于 R1。 由此也可以看出反相比例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。的场合。在设计反相比例放大电路时，要从多种因素来选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。择运放参数。关于关于 运放运放 参数的选择：参数的选择：例如，在放大例如，在放大 直流信号直流信号 时，应着重考虑影响运时，应着重考虑影响运算精度和漂移的因素。为提高运算
15、精度，运放的算精度和漂移的因素。为提高运算精度，运放的开环增益开环增益 AVO和和 输入差模电阻要大输入差模电阻要大 ，而，而 输出电阻输出电阻要小要小 。为减小漂移，。为减小漂移， 运放的输入失调电压运放的输入失调电压 VIO、 输输入失调电流入失调电流 IIO和和 基极偏置电流基极偏置电流 IIB要小要小 。这些因素。这些因素随温度的变化在运放输出端引起的随温度的变化在运放输出端引起的 总误差电压最总误差电压最大大 可为：可为：IO如放大交流信号，则要求运放有足够的带宽，即如放大交流信号，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。若开环带宽为要求运放的带宽大于信号的频率范
16、围。若开环带宽为BWO， 则闭环带宽将展宽为：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。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，首先号源的负载能力允许条件下，首先 尽可能选择较小的尽可能选择较小的R1， 然后按闭环增益要求计算然后按闭环增益要求计算 RF， 并取并取 RP= R1/ /RF，以减小人为地引入非平衡误差。以减小人为地引入非平衡误差。另一种计算法是从减小增
17、益误差入手，首先算得另一种计算法是从减小增益误差入手，首先算得RF的数值的数值 ， RF（ 最佳最佳 ） = RidRO/（ 2K） 1/2，再按闭环增益计算再按闭环增益计算 R1 。 这里这里 K为闭环放大倍数为闭环放大倍数 。RFVSARPR1VORS反相比例放大电路的输入电阻不能太高，为克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，如上图服这一毛病，可采用同相比例放大电路，如上图电路所示。电路所示。闭环电压放大倍数：理想运放为闭环电压放大倍数：理想运放为 ： AVF=1+RF/R1实际运放为实际运放为：1+ RF/R11+1/KAVO输入电阻：输入电阻：
18、Ri= （ 理想理想）实际实际 ： Ri=RS+RID（ 1+KAVO）图中图中 RS为信号源内阻，为信号源内阻， RP为平衡电阻，其取值为平衡电阻，其取值可按下式计算：可按下式计算： RP= RS- R1/ RF若算得是负值，则应将若算得是负值，则应将 RP改为与改为与 RS串接，并满串接，并满足足 RS+ RP= R1/ RF。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。同相比例放大电路的最大优点是输入电阻高。例如例如 A741， 若开环增益若开环增益 AVO=5104， 开环输入电开环输入电阻阻 Rid=0.3106， 用作电压跟随器时用作电压跟随器时 K
19、=1， 则则 Ri RidK AVO=1.5 109。由于同相比例放大电路的反相端不是由于同相比例放大电路的反相端不是 “虚地虚地 ”，其，其电位随同相端的信号电压变化，使运放承受着一个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。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，还特别要求运放的相比例电路中提出的要
20、求外，还特别要求运放的共模抑制比共模抑制比 KCMR高，否则输入端将引入较大的误高，否则输入端将引入较大的误差电压差电压 （ VICM/ KCMR）。）。比例电阻的计算，一般应先计算最佳反馈电阻比例电阻的计算，一般应先计算最佳反馈电阻 RF， 其值为：其值为：然后按闭环增益的要求确定然后按闭环增益的要求确定 R1的数值。的数值。4）差动输入比例放大电路的特性和设计）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简单的差动输入比例放大电路R3V1AR4R1 VOR2V2运放输入的差模电压运放输入的差模电压： Vid=V2-V1运放输入的共模电压运放输入的共模电压： Vic=1/2（
21、 V2+V1）当当 R1=R2， R3=R4时，理想的闭环增益时，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要。差动电路的共模抑制比 KCMR， 由运放本身的共模由运放本身的共模抑制比抑制比 KCMR和由于外部电阻失配而形成的共模抑制比和由于外部电阻失配而形成的共模抑制比K CMR两部分组成两部分组成 。设各电阻匹配，公差相同，电阻精度均为设各电阻匹配，公差相同，电阻精度均为 ， 则则K CMR（ 1+R3/R1） /（ 4 ） ， 差动电路的共模抑差动电路的共模抑制比为：制比为：KCMR=（ KCMR K
22、CMR） / （ K CMR+ K CMR） 由上式可知，闭环增益由上式可知，闭环增益 （ R3/R1） 愈小，电阻失配愈小，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因素，且电路的共模抑制比 KCMR只能小于只能小于 K CMR。例如电阻精度为例如电阻精度为 0.1%、闭环增益为、闭环增益为 50的差动电路，的差动电路，KCMR K CMR（ 1+R3/R1） /（ 4 ） =1250电路的差模输入电阻电路的差模输入电阻 ： RidR1+R2共模输入电阻共模输入电阻 ： RiC（ R1+R3） /2考虑到失调、
23、频带、噪声等因素，反馈电阻考虑到失调、频带、噪声等因素，反馈电阻 R3不不宜大于宜大于 1M 。 如果取如果取 R3= 1M 、 闭环增益为闭环增益为 50，则则 R1=20K ， 差模输入电阻为差模输入电阻为 40 K ， 共模输入电共模输入电阻近似于阻近似于 500 K 。为保证闭环差模增益在所要求的频率和温度范围内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益须大于闭环增益 100倍以上。倍以上。单运放差动电路常用于运算精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，度要
24、求不高的场合，为提高性能，常采用三运放精密放大电路。常采用三运放精密放大电路。 三运放差动电路（仪用放大器）A1A2A3ABVO1VO2R1R1R2RRRfRfVOVi1Vi2R22R1+R2Vi1- Vi2= （ VO1- VO2）即即 VO1- VO2=（ 1+2R1/R2）（）（ Vi1- Vi2）VO=-Rf/R（ VO1- VO2） =- Rf/R （ 1+2R1/R2）（）（ Vi1- Vi2）设设 Vid= Vi1- Vi2，则：则： Avd=VOVid=-Rf/R（ 1+2R1/R2）当当 Vi1= Vi2= ViC时，由于时，由于 VA= VB= ViC， 所以所以 R2中电
25、流为零，中电流为零， VO1= VO2= ViC， 输出电压输出电压 VO=0。可见该电路放大差模信号，抑制共模信号。差模可见该电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中放大倍数愈大，共模抑制比愈高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。含有共模噪声时，也将被抑制。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
26、，实际的滤波器距此总有一定的差距的衰减。然而，实际的滤波器距此总有一定的差距。 用运放和用运放和 RC网络组成的有源滤波器，具有许多独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。放大和缓冲作用。这种滤波器的频率范围约为这种滤波器的频率范围约为
27、10-3106Hz， 频率频率稳定度可达（稳定度可达（ 10-310-5） /0C。滤波器的技术指标有：通带允许最大衰减、阻带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、下限截止频率应达到的最小衰减、上限截止频率、下限截止频率等。等。滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性AVAV/AV（ ） 理想理想实际实际C0理想理想AVAV/AV（ ）实际实际C0AVAV/AV（ ）C0实际实际理想理想AVAV/AV（ ）C0实际实际理想理想 滤波器类型选择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、滤波器的类型选择内容很多。如低通、高通、带
28、通、带阻的选择，有源、无源的选择，带通、带阻的选择，有源、无源的选择， RC、 LC滤波器的选择等。下面仅就二阶滤波器的选择等。下面仅就二阶 RC有源滤波器的有源滤波器的电路结构上的选择谈一谈。电路结构上的选择谈一谈。vo+-Vi+-R2R1R3CC1图（图（ b） 无限增益多路反馈电路无限增益多路反馈电路+CR1 R2C1R3 R4Vi vo+-图（图（ a） 压控电压电路压控电压电路图（图（ a） 中运放为同相输入，输入阻抗高，输出阻中运放为同相输入，输入阻抗高，输出阻抗低，滤波器相当于一个电压源，故称为抗低，滤波器相当于一个电压源，故称为 VCVS。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图
29、（其优点是电路性能稳定、增益容易调节。图（ b）中运放为反相输入，输出端通过中运放为反相输入，输出端通过 C1、 R2形成两条反形成两条反馈支路，故称为馈支路，故称为 MFB。 其优点是有倒相作用，使用其优点是有倒相作用，使用元件少，但增益调节对其性能参数会有影响。元件少，但增益调节对其性能参数会有影响。 对运放的要求。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环增益应在 80dB以上。对运放频率特性的要求，由以上。对运放频率特性的要求，由其
30、工作频率的上限确定，设工作频率的上限为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则运放的单位增益频率应满足 BWG （ 35） AffH。 式中式中 Af为滤波器通带的传输系数。为滤波器通带的传输系数。如果滤波器的输入信号较小，如在如果滤波器的输入信号较小，如在 10mV以下，以以下，以选低飘移运放为宜。选低飘移运放为宜。 电路元件参数的确定电路元件参数的确定在设计时，经常会出现待确定其值的在设计时，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。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例如，压控电压源型滤波器 待确定其值的元件有六待确定其
31、值的元件有六个个 ，而，而 限制元件取值的参数只有三个限制元件取值的参数只有三个 ，即通带传输，即通带传输系数、自然频率、阻尼系数。因此，有多个元件组系数、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。些元件值。一般从选定电容器入手，因为电容标称值的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。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，指下表中的频率，对低通，指上限；对高通，指下
32、限，对带通、带阻，指中心频率。限，对带通、带阻，指中心频率。一、 EMC知识EMC electromagnetic compatibility Introduction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(electromagnetic interference)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(electromagnetic susceptibility)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
