電子技術(shù)中單元電路的設(shè)計(jì)方法

炎黃職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 雷時(shí)榮

EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)的發(fā)展使電子電路的設(shè)計(jì)方法和電子電路的實(shí)現(xiàn)方法發(fā)生了根本性的變化。借助各種應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)從電路原理到印刷板電路的設(shè)計(jì)，利用可編程邏輯器件PLD或在系統(tǒng)可編程邏輯器件ISP技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路和模擬電路的功能，已經(jīng)成為開發(fā)電子產(chǎn)品的重要手段。

在電子技術(shù)中，為了設(shè)計(jì)一個(gè)完整的電路，實(shí)現(xiàn)一定的功能，達(dá)到良好的性能，通常將一個(gè)大的電子電路劃分為若干模塊，每一個(gè)小模塊，就是一個(gè)單元電路。因此，掌握單元電路的設(shè)計(jì)方法和實(shí)際設(shè)計(jì)電路的能力，是電子工程師必備的能力。本篇就此課題，講述幾種重要單元電路的設(shè)計(jì)方法。

一、限流電阻的選擇

電子電路中經(jīng)常應(yīng)用普通二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管等不同類型的二極管。盡管用途各不相同，但由于它們在導(dǎo)通時(shí)具有陡峭的特性（如圖1所示）。

所以在電路中必須串接限流電阻，保護(hù)二極管免受過大的電流而導(dǎo)致?lián)p壞。選擇限流電阻要依據(jù)二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓和二極管的工作電流確定。一般來說，普通二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，發(fā)光二極管的正向?qū)妷簽?.8～2.0V，紅外發(fā)光二極管的正向?qū)妷杭s為1.3V，穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓則有型號(hào)決定。工作電流則要根據(jù)電路的要求確定，必要時(shí)應(yīng)查閱器件手冊。二極管電路的限流電阻可按式（1.1）確定

圖1 穩(wěn)壓二極管特性

圖2 普通二極管電路

圖3 發(fā)光二極管電路

R=（U﹣UD）／ID（1.1）

例如，圖2中，若U=5V，要求二極管的工作電流為1mA，則限流電阻為

R=（U﹣UD）／ID=（5-0.7）V/1 mA=4.3kΩ

圖3中，若U=12V，發(fā)光二極管的最大正向電流為30mA則可以取工作電流為5～10mA，估計(jì)發(fā)光二極管的正向?qū)妷杭s為2V，代入式（1.1），可求出限流電阻的取值范圍為1～2kΩ。

當(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，穩(wěn)壓管的限流電阻也可用上述方法確定。但當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，要根據(jù)負(fù)載電流的變化范圍和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素綜合考慮，利用EWB來調(diào)試限流電阻值，則是直觀便捷的方法。

二、三極管開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在實(shí)際電子電路系統(tǒng)中，經(jīng)常用三極管開關(guān)電路來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元器件。因此要根據(jù)執(zhí)行元器件的參數(shù)來設(shè)計(jì)電路。下面以驅(qū)動(dòng)一個(gè)小型繼電器為例，來說明開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

驅(qū)動(dòng)繼電器的三極管開關(guān)電路如圖4所示。圖中，二極管為續(xù)流二極管。

1.三極管的選擇

選擇三極管主要根據(jù)PCM、ICM和U(BR)CEO三項(xiàng)參數(shù)。

如果繼電器的型號(hào)已經(jīng)選定，則可得到其電氣參數(shù)。例如，線圈電壓為6V，線圈直流消耗功率為0.36W，據(jù)此可計(jì)算出繼電器的額定工作電流I=0.36/6A=60mA。如果已知的是線圈的電阻值，則應(yīng)利用歐姆定律計(jì)算出額定工作電流，這也是三極管的工作電流。如果電源電壓為6V，因三極管導(dǎo)通時(shí)處于飽和狀態(tài)，集電極功耗不大，可以不考慮對(duì)PCM的要求，只需要根據(jù)繼電器的額定工作電流和電源電壓選擇三極管，例如進(jìn)口的9013、9014，國產(chǎn)的3DG12B都能滿足要求。

如果繼電器的工作電流較大，三極管可采用復(fù)合管（達(dá)林頓管）形式。

2.基極限流電阻的確定

圖4 驅(qū)動(dòng)繼電器的開關(guān)電路

基極限流電阻要根據(jù)基極電流來確定。

式（2.1）中IC為繼電器額定工作電流。設(shè)電源電壓為6V，則三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，若三極管基極驅(qū)動(dòng)電平為5V，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.7V，三極管的β值為200，則

RB≤（5-0.7）V/(60mA/200)≈14.3 kΩ

因?yàn)橥恍吞?hào)的三極管的β值不同，為了保證三極管工作在截止、飽和狀態(tài)，RB可取值小一些，如10 kΩ或更小一些。但必須注意不要使基極電流過大，造成發(fā)射結(jié)燒毀。

若電源電壓比繼電器額定電壓高，如9V，則三極管導(dǎo)通時(shí)處于放大狀態(tài)，在這種情況下，RB的大小應(yīng)進(jìn)行調(diào)試，若RB太大則達(dá)不到吸合電壓，太小則使繼電器電流超過額定工作電流。

三、電壓放大器的設(shè)計(jì)

以下分別介紹單管共發(fā)射極放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路的設(shè)計(jì)方法。

（一）單管共發(fā)射極放大器的設(shè)計(jì)

1.電路形式和要求

分壓式共發(fā)射極電路如圖5所示。為維持UB基本恒定和發(fā)射極電阻（Re1+ Re2）的直流電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，?yīng)滿足：

I1=(5～10)IB(硅管)

I1=(10～20)IB(鍺管)

UB=(3～5)V(硅管)

UB=(1～3)V(鍺管)

此外，電阻Rb1、Rb2、RC和Re2的選擇要兼顧對(duì)電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri

以及輸出電阻R0的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；耦合電容C1、C2和旁路電容Ce的取值要滿足對(duì)下限頻率的要求；三極管的選擇要滿足電路對(duì)其PCM、U（BR）CEO、ICM的要求以及對(duì)特征頻率的要求。

2.設(shè)計(jì)方法

放大電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法比較繁雜，電路參數(shù)計(jì)算完以后，還需要搭接實(shí)際電路反復(fù)的調(diào)試。利用計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)則簡化了這一過程。利用EWB進(jìn)行電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)的分壓式共發(fā)射極放大電路連接圖，它滿足電壓放大倍數(shù)Au≥30，輸入電阻Ri≥5 kΩ的設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)過程簡述如下：

（1）畫出電路，接入儀器、儀表；依照對(duì)電流和電壓的要求大致給出元件參數(shù)，然后根據(jù)電壓表、電流表的指示對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足前述對(duì)I1、IB和UB的要求。

（2）再根據(jù)示波器對(duì)輸入、輸出電壓幅度的指示，求出電路的電壓放大倍數(shù)Au，如Au小于要求值，則調(diào)節(jié)發(fā)射極上的電阻值大小，使之達(dá)到指標(biāo)。

（3）計(jì)算輸入電阻值。如果輸入電阻小于要求指標(biāo)，則需要重新調(diào)節(jié)基極電阻和發(fā)射極電阻。上述步驟需要反復(fù)進(jìn)行，才能兼顧各項(xiàng)指標(biāo)要求。

（4）如果對(duì)放大器有頻帶要求，則需考慮上限截止頻率fH和fL。

（二）運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路的設(shè)計(jì)

運(yùn)算放大器（運(yùn)放）構(gòu)成的放大電路的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比分立元件電路簡單，因?yàn)闊o論是反相、同相還是差分放大器，放大倍數(shù)主要由外接電阻值確定。但是，在選擇運(yùn)放和元件參數(shù)時(shí)，必須考慮以下問題，否則調(diào)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出電壓達(dá)不到預(yù)期結(jié)果的現(xiàn)象。

1.放大器的增益和頻帶寬度的乘積應(yīng)小于運(yùn)放的增益帶寬積

運(yùn)放的增益帶寬積為常數(shù)，即：Au0BW=AufBWf=BWG。其中Au0BW為開環(huán)增益帶寬積，AufBWf為閉環(huán)增益帶寬積，BWG是當(dāng)增益為1時(shí)的帶寬，即單位增益帶寬積。雖然運(yùn)放的開環(huán)電壓增益Au0很大，開環(huán)帶寬BW卻很窄（即上限頻率很低），因此在引入負(fù)反饋以后，閉環(huán)電壓增益Auf越大，閉環(huán)帶寬BWf則越窄。

運(yùn)放的開環(huán)帶寬或增益帶寬積可以查閱手冊直接得到。手冊給出的開環(huán)上限截止頻率fH，就是開環(huán)帶寬BW。手冊給出的單位增益帶寬BWG，就是增益帶寬積。

2.大信號(hào)工作條件下，要保證運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率滿足

SR＞2fmax×Uomax

其中，fmax為輸入信號(hào)的最高工作頻率，Uomax為最大輸出電壓幅值。如不滿足上述要求，則會(huì)出現(xiàn)相位失真和輸出幅度不足等問題。

3.最大共模輸入電壓應(yīng)在運(yùn)放允許的范圍之內(nèi)

設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路，基本步驟如下：

圖5 分壓式共發(fā)射極電路

圖6 RC橋式正弦波振蕩電路

（1）選擇合適的集成運(yùn)算放大器，使之滿足頻率和轉(zhuǎn)換速率的要求。

（2）選擇反饋電阻Rf和電阻R1。反饋電阻Rf一般在幾千歐至1兆歐的范圍內(nèi)選取，因?yàn)殡娮柽^小可能使運(yùn)放負(fù)載過重，電阻過大將造成穩(wěn)定性差和噪聲大。

（3）選擇平衡電阻Rp。在輸入端接地的情況下，調(diào)節(jié)阻值，使輸出電壓為零，從而實(shí)現(xiàn)平衡。

四、正弦振蕩電路的設(shè)計(jì)

正弦振蕩電路有RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體振蕩器等多種形式，它們的電路結(jié)構(gòu)和工作原理在模擬電子技術(shù)課程中有涉及。

設(shè)計(jì)一個(gè)正弦振蕩電路，頻率的相對(duì)誤差＜±5%，電源電壓變化±1V時(shí)，幅值基本穩(wěn)定，振蕩波形對(duì)稱，無明顯非線性失真。以下僅簡單介紹上述電路設(shè)計(jì)的基本步驟。

1.電路方案選擇

因?yàn)榉桨杆蟮恼袷庮l率屬于低頻，故選擇RC正弦振蕩電路。RC正弦振蕩電路有RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的文氏橋式正弦振蕩和RC移相網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的移相式正弦振蕩等。前者應(yīng)用最為普遍，適用于產(chǎn)生1MHz以下的正弦信號(hào)，而且容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，因此選用此方案，其電路如圖6所示。圖6中，RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)引入正反饋并具有選頻作用；Rf引入負(fù)反饋，調(diào)節(jié)R2的大小能使電路滿足起振的幅值條件，利用二極管VD1、VD2的非線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。

在串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電阻、電容與并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電阻、電容參數(shù)相同的前提下，振蕩頻率f0=1/2RC

起振幅值條件Auf=(Rf+R1)/R1≥3

則Rf≥2 R1

2.參數(shù)確定和元件選擇

（1）確定R、C的大小。

（2）確定Rf和R1的大小。

（3）R2、R3和穩(wěn)幅二極管的選擇。選二極管時(shí)，應(yīng)使兩只二極管特性一致，保證正弦波波形對(duì)稱。

(4) 選擇集成運(yùn)算放大器。

3.利用EWB驗(yàn)證參數(shù)選擇是否合理。

五、單脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

在一些電子電路的應(yīng)用或調(diào)試中，需要用單個(gè)脈沖來控制時(shí)序電路的工作。以下介紹單脈沖產(chǎn)生電路的形式和工作波形，供參考和選用。

圖7 RS觸發(fā)器構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生電路

圖8 門電路和阻容元件構(gòu)成的微分型單脈沖產(chǎn)生電路

圖9 555時(shí)基電路構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生電路

1.異步單脈沖產(chǎn)生電路

異步單脈沖產(chǎn)生電路一般由按鍵開關(guān)和波形產(chǎn)生電路構(gòu)成。輸出單脈沖的寬度或取決于開關(guān)接通時(shí)間的長短，或取決于電路中定時(shí)元件R和C的取值。

（1）RS觸發(fā)器構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生電路

圖7中，每當(dāng)單刀雙擲開關(guān)完成一次R-S-R或S-R-S的切換，便在輸出端產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的脈沖。脈沖的寬度由切換開關(guān)的速度確定。

（2）微分型單脈沖產(chǎn)生電路

圖7是由門電路和阻容元件構(gòu)成的微分型單脈沖產(chǎn)生電路及其工作波形。每按下一次按鈕，則在輸出端得到一個(gè)負(fù)向脈沖。脈沖寬度由定時(shí)元件RC的值決定，與按下開關(guān)S的時(shí)間長短無關(guān)。

（3）555時(shí)基電路構(gòu)成的單脈沖產(chǎn)生電路

圖9可以看出，555時(shí)基電路接成了單穩(wěn)態(tài)電路的形式。每按動(dòng)一次開關(guān)，相當(dāng)于給555電路的引腳2提供一個(gè)負(fù)向脈沖。于是輸出端3便輸出一個(gè)正向脈沖，其寬度Tw≈1.1RC，與開關(guān)接通時(shí)間的長短無關(guān)。

2.同步單脈沖產(chǎn)生電路

同步單脈沖產(chǎn)生電路一般由按鍵開關(guān)、觸發(fā)器和邏輯門構(gòu)成。輸出單脈沖的寬度與開關(guān)接通時(shí)間的長短無關(guān)，僅取決于時(shí)鐘周期，且與時(shí)鐘同步。圖9為由D觸發(fā)器構(gòu)成的同步單脈沖產(chǎn)生電路。

直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。電源變壓器一般可以買到，關(guān)鍵問題是合理選用變壓器的功率和輸出電壓。整流一般采用二極管橋式整流，無論是采用整流橋，還是四只二極管，都必須保證其最大電流、最大反向電壓滿足電路的要求并留有一定余地。三端集成器件固然簡單，但是參數(shù)和外圍元件選擇合理，才能提高使用效率和保證輸出電壓的穩(wěn)定度。介于篇幅原因，此電路的設(shè)計(jì)過程不詳述。