电路设计讲义08科学教育

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1、电路设计讲义王 鹏课时安排：1. 电路设计基础 10学时2. 电路设计实例 16学时3. 电路设计EDA 8学时 第一章 电路设计基础一常用电子元器件本章主要介绍常用的一些电子元器件，如耗能元件电阻、储能元件电感、电容等，以及一些非线性电子元器件，如二极管、晶体管等的类型和基本知识。1.1 电阻器电阻元件一般是反映实际电路中的耗能元件，如电炉、照明器具等。电阻在电路中用“R”加数字表示，如：R15表示编号为15的电阻。电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置、滤波（与电容器组合使用）和阻抗匹配等。 参数识别：电阻的单位为欧姆（），倍率单位有：千欧（K），兆欧（M）等。换算方法是：1兆欧=

2、1000千欧=1000000欧。电阻的参数标注方法常用有3种，即直接标注法、色环标注法和数码标注法。 数标法主要用于贴片等小体积的元件，如：472表示47100（即4.7K）；104则表示1010000（即100K）。图1.1 四色环电阻及五色环电阻的色环标注法碳膜电阻 可变电阻 线绕电阻 压敏电阻图1.2 电阻实物图1.2 电容器 电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。电容元件能够储存电场能量。当电容一定时，电流与电容两端电压的变化率成正比，当电压为直流电压时，电流为零，电容相当于开路。1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C25表示编号为25的电容）。电容容量的大小就

3、是表示能贮存电能的大小，电容的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。 容抗XC=1/jC(表示交流信号的角频率，C表示电容容量)。常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。 2、在国际单位制中，电容的单位用F（法拉）表示。当在电容两端的电压为1V，极板上电荷为1C（库仑）时，电容是1F（法拉）。1F=106F=1012pF 图1.3 电容实物图1.3电感器 在电路中一般用实际线圈来表示电感。电感线圈是将绝缘的导线在绝缘的骨架上绕一定的圈数制成。线性电感元件的电压与该时刻电流的变化率成正比。当电流不随时间变化时（直流电流），则电感电压为零。这时电感相

4、当于短接。电感在电路中常用“L”加数字表示，如：L6表示编号为6的电感。 在国际单位制中，自感的单位是H（亨利）。1H=103mH=106uH。图1.4 电感实物图1.4 半导体二极管 半导体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如：D5表示编号为5的二极管。 1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、发光二极管、稳压二极管、光电二极管、整流二极管以及变容二极管等等等。图1.5二极管实物图2、识别方法：二极管的识别很简单，小功旅二极管的N极（负极），在二极管外表大多

5、采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。3、二极管的简易测量：将万用表置R100或R1K欧姆挡，此时万用表的红表笔接的是表内电池的负极，黑表笔接的是表内电池的正极。因此当黑表笔接至二极管的正极、红表笔接至负极时为正向连接。具体的测量方法是：将万用表的红、黑表笔分别接在二极管两端，若测得电阻比较小（几k以下），再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端，而测得的电阻比较大（几百k），说明二极管具有单向导电性，质量良好。测得电阻小的那一次黑表笔接的是二极

6、管的正极。如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至为零，表示管子内部已短路；如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。下面再简单介绍一下稳压二极管的特点。1、稳压二极管的工作特点是工作在反向击穿区，并且在电路中起稳压作用时必须反接。2、故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。 1.5 半导体三极管 半导体三极管在电路中常用“T”加数字表示，如：T17表示编号为17的三极管。 1、晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，在常见电路中有三种接法。为了便于比较，将晶体管

7、三种接法电路所具有的特点列于下表，供大家参考。 名称共发射极电路共集电极电路（射极输出器）共基极电路输入阻抗中（几百欧几千欧）大（几十千欧以上）小（几欧几十欧）输出阻抗中（几千欧几十千欧）小（几欧几十欧）大（几十千欧几百千欧）电压放大倍数大小（小于1并接近于1）大电流放大倍数大（几十）大（几十）小（小于1并接近于1）功率放大倍数大（约3040分贝）小（约10分贝）中（约1520分贝）频率特性高频差好好 应用多级放大器中间级，低频放大输入级、输出级或作阻抗匹配用高频或宽频带电路及恒流源电路 2、三极管极性及管脚识别 判别管脚与管型时按以下办法进行。判别时可把三极管看成是二个背靠背的PN结，按照判

8、别二极管极性的方法可以判断出一极为公共正极或公共负极，即为基极b。具体的测量方法是：万用表置R100或R1K欧姆挡，然后任意假定一个电极是b极，并用黑表笔与假定的b极相接，用红表笔分别与另外两个电极相接，如果两次测得电阻均很小，即为PN结正向电阻，则黑表笔所接的就是b极，且管子为NPN型；如果两次测得电阻值一大一小，则表明假设的电极不是真正的b极，则需将黑表笔所接的管脚调换一下，再按上述方法测试。若为PNP管则应用红表笔与假定的“b极”相接，用黑表笔接另外两个电极。两次测得电阻均很小时，红表笔所接为b极，县城可确定为PNP管。当b极确定后，可接着判别发射极e和集电极c。若是NPN型管，可将万用

9、表的黑表笔和红表笔分别接触两个待定的电极，然后用手指捏紧黑表笔和b极（不能将两极短路，即相当接一电阻），观察表针摆动幅度。然后将黑、红表笔对调，按上述方法重测一次。比较两次表针摆动幅度，摆动幅度较大的一次黑表笔所接管脚为c极，红表笔所接为e极。若为PNP型管，上述方法中将黑、红表笔对换即可。图1.6 三极管实物图1.6 场效应管 1、场效应管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。 2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。3、场效应管与晶体管的比较 （1）场效应管是电压控制元件，

10、而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。 （2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 （3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。 （4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。1.7集成运算放大器集成运算放大器是一种线性集成电路，和其它半导体器件一样，它是用一些性能指

11、标来衡量其质量的优劣。为了正确使用集成运放，就必须了解它的主要参数指标。常用的集成运放型号有A741（或F007），它是八脚双列直插式组件，脚和脚为反相和同相输入端，脚为输出端，脚和脚为正、负电源端，脚和脚为失调调零端，脚之间可接入一只几十K的电位器并将滑动触头接到负电源端。 脚为空脚。我们以此为例进行简单介绍。1、 A741主要指标 （1）输入失调电压U0S 理想运放组件，当输入信号为零时，其输出也为零。但是即使是最优质的集成组件，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零。这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。输入失调电压U0S 是指输入信号为零时，输出端出现的电

12、压折算到同相输入端的数值。 （2）输入失调电流I0S 输入失调电流I0S 是指当输入信号为零时，运放的两个输入端的基极偏置电流之差， 输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管的失配度，由于IB1 ，IB2 本身的数值已很小（微安级），因此它们的差值通常不是直接测量的 （3）开环差模放大倍数Aud 集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数，用Aud 表示。它定义为开环输出电压U0与两个差分输入端之间所加信号电压Uid 之比 （4）共模抑制比KCMR集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比称为共模抑制比 共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理

13、想运放对输入的共模信号其输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈好，也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即KCMR愈大。 （5） 共模输入电压范围Uicm集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围，超出这个范围，运放的CMRR会大大下降，输出波形产生失真，有些运放还会出现“自锁”现象以及永久性的损坏。（6） 输出电压最大动态范围UOPP集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关。2、集成运放在使用时应考虑的一些问题 （1) 输入信号选用交、直流量均可， 但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅

14、度的限制。（2) 调零。为提高运算精度，在运算前， 应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压U0，细心调节RW，使U0为零（即失调电压为零）。 一个运放如不能调零，大致有如下原因： 组件正常，接线有错误。 组件正常，但负反馈不够强（RFR1 太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。组件内部损坏，应更换好的集成块。 （3) 消振。一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零， 亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激，常采用如下措施若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。电路布线、元、器件布局应尽量减少分布电容。在正、负电源进线与地之间接上几十F的电解电容和0.010.1F 的陶瓷电容相并联以减小电源引线的影响。