电路设计及技巧

1、电路设计及技巧自卓,您好！1电源电路设计技巧PART 01添加内容添加内容添加内容添加内容添加内容2内容概括电源设计技巧概述电源设计的重要性输出电压稳定电源种类选择3电源设计的重要性1.1电源电路对于一个完整的电路系统的重要性：每个电子电路系统中必须有电源供给，为了保障电子系统能够正常高效的运行，电源的正确设计师保证一个一个电子电路系统正常工作的基本保障。特别是要求在高稳定的直流电压下工作的电路，直流稳压电源的设计关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。目前普遍情况是吧变压器直接接到交流电源上，只经过绝缘/变压，在对变压器二次侧的交流电压进行整流/滤波，得到不稳定的

2、直流电源。4电源设计的重要性1.2稳定电源的优点：电路在实现功能的同时又要承受电源变动，难以兼顾：让实现功能的电路在波动大的非稳定直流电源下运行，需要使用耐压和功耗都有裕量的半导体器件。这种半导体器件外形尺寸大且价格高。5电源设计的重要性1.2稳定电源的优点：应对电源变动与实现功能相互分离，简单易行：在制作价格便宜的小型电子设备时，人们希望在实现具体功能的电路中使用虽在耐压上没有裕量但价格便宜，体积小巧的半导体，而电源变动的部分有稳定电源电路承担就可以。这样既降低了IC的电源电压，可以低功耗高速的进行工作6电源设计的重要性1.2稳定电源的优点：总之，使用稳定电源的目的就是靠分工来提高半导体器件

3、的利用率。并且，如果稳定电源电路尽可能地使用内部损耗小的电路，设备整体就能变得既造价低廉又体积小巧7电源设计的重要性1.3不稳定电源的缺点：不稳定电源的缺点：电源电压变动大，数字电路不易设计：模拟电路难以应对电源电压的变动：8输出电压稳定的电源种类及选择方法1.3稳定电源的种类：直流稳定电源设计的第一步是方式的选择，按照内部运行方式分类，直流稳定电源可分为线性调节器和开关调节器两种形式。其中线性调节器在运行原理上又可以分为并联调节器和串联调节器。开关调节器分类如下：9输出电压稳定的电源种类及选择方法1.3开关调节器分类：(一).按控制方式：脉冲调制变换器：驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式

4、。谐振式变换器：驱动波形为正弦波。又分ZCS(零电流谐振开关)、ZVS(零电压谐振开关)两种。10输出电压稳定的电源种类及选择方法1.3开关调节器分类：(二).按电压转换形式：1.AC/DC：一次电源。即整流电源。2.DC/DC：二次电源。1)Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。2)Boost：升压斩波器，入出极性相同。3)Buck-Boost：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。4)Cuk：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。11输出电压稳定的电源种类及选择方法1.3开关调节器分类：(三).按拓补结构：1.隔离型：有变压器。2.非隔离型：无变压器。线性调节器具有噪声小的优势，而开

5、关调节器具有损耗晓得优点。总的来说要低求噪声电源的模拟电路应该选用线性调节器，需要大电流的电路应该选用开关调节器，一般都可按照这个原则灵活使用。12设计概述1.电源设计必须考虑负载的性质：数字电路和模拟电路要求电源电路提供的的电流波形有很大的差异数字电路的脉冲性质负载电路变化，电源电路的有源器件大部分情况下都不能影响，唯一能够进行响应的方式是输出端介入的电容对电荷的充放电。13设计概述2.初步选择：如上面所说，电源有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类。前者具有波纹小，电路结构简单的优点，但电路的效率低，功耗大。后者功耗小，效率高，但电路复杂，纹波大。要求低噪声电源的模拟电路应该使用线性调

6、节器，需要大电流的电路应该使用开关调节器，一般都可以按照这个原则灵活使用14设计概述2.PCB设计：实践证明即使电路原理图正确，PCB设计不恰当也会对电子系统的功能产生不良影响，甚至致使电路不能工作。为了解决来自电源和信号之间的干扰，正确接地时控制干扰的重要方法。吧接地和屏蔽正确结合起来使用，就可以解决大部分干扰问题15正确选择单点接地和多点接地对于双面板，地线布置特别讲究，通常采用单点接地，电源和地是电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点尽量加粗接地线应将接地线尽量加粗，使他能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应该大于3mm。将数字电路与模拟电路分开两者

7、的地线以及电源线也不要相混，分别与电源端的地线和电源线相连。还要尽量加大线性电路的接地面积。将接地线构成闭环路设计只有数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力设计概述2.PCB设计16设计概述3.用好去耦电容去耦电容一方面阻止电路中的噪声进入电源，另一方面防止电源中的噪声进入前级电路，使电路噪声干扰减少到满足电路要求的范秋。因此设计数字电路使，对于集成电路，尽量在每个集成电路的电源与地之间都加一个去耦电容。电容一方面是该集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该期间的高频噪声。17设计概述4.还有一种较好的思路是每一

8、块电路板各自根据需要,分别设计不同精度的稳压电源电路在 电路板上 , 杜绝通过电源线造成各块电路板 的电源的相互干扰。当然,前提是地线依然需要采用一点连接 , 即其他各块电路板 的地线都要接到共同的模拟电路的末级18模拟电路设计技巧PART 0219基本放大电路多级放大电路频率特性功率放大电路波形发生变换电路稳压电路集成运算放大电路信号运算、处理电路20电路之间的级联问题考虑阻抗匹配和采用的耦合方式(直接耦合, 还是阻容耦合, 还是变压器耦合等)输入阻抗和输出阻抗问题前级是后级的信号源, 前级的输出电阻是后级电路的信号源内阻,后级电路是前级电路的负载放大倍数“信号源”可看成是一级放大电路; 负

9、载同样可看成是一级放大电路“基本放大电路”和多级放大电路的关系21电容的大小电容的大小来考虑, 结电容越小, 对放大信号影响越小,耦合电容和旁路电容越小, 对信号影响越大信号工作频率频率较低时, 结电容可视为开路频率较高时, 结电容的容抗变小, 对PN 结形成分流,使晶体管的电流放大倍数减小, 而耦合电容和旁路电容可视为短路“基本放大电路”和频率特性的关系22“基本放大电路”和功率放大电路的关系本质：放大的仍然是电流和电压，由于负载或输出信号要求的不同, 而采用不同的输出方式. 关键点：基本放大电路的工作原理中输入和输出波 形之间的关系；静态工作点的设置对于输入、输出波形的影响23“基本放大电

10、路”和波形发生变换电路的关系实质：基本放大电路接入正反馈再加上一个选频网络对非正弦波发生电路：依靠一个电容的充放电来形成方波变换成三角波：在基本放大电路的基础上加一个充放电电容24“基本放大电路”和稳压电路的关系实质：建立在基本放大电路共集电极接法基础上的一种应用型电路“基本放大电路”和集成运算放大电路的关系实质：基于直接耦合的多级放大电路, 且增加了抑制零点漂移和各种电流源(深度电流负反馈)的集成电路25“基本放大电路”和信号运算、处理电路的关系实质：输入电阻趋于无穷大, 输出电阻趋于零的基本电压放大电路结果：使信号的各种运算成为与集成运算电路基本无关,只与输入信号的大小和反馈方式及输入端连

11、接方式有关的输出26滤波电路应用作用：低通滤波是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。且阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序（目的）而改变。27 数字电路系统设计与制作PART 031. 数字电路系统的设计方法3. 数字电路系统设计的一般方法与步骤2. 数字电路系统的组成4. 数字电路系统的装调28一. 数字电路系统的设计方法利用数字电路硬件描述语言来设计数字系统是目前最先进的方法，即电子设计自动化(EDA）。它可以采用自顶向下的设计方法，从系统行为级的数学模型描述与仿真论证系统的可行性来确定最优秀的方案；它可以采用自顶向下的递阶结构

12、加强结构性，既易于设计调试又便于对问题的查找和解决；它可以采用原理图、硬件描述语言或状态机和多种方法输入，并可调用软件系统提供丰富的库元件，生成数字电路并映射到可编程逻辑器件，进行逻辑仿真及实现后的时序仿真，设计者只需根据仿真结果修改电路直到满足设计需要。数字电路系统的设计与数字电子技术中基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计有较大的区别。后者是根据设计任务要求，用真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路，用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。而数字电路系统的设计具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整地描述其逻辑功能，用数字电子技术中常用的方法来设计，显然是复杂

13、而困难的。29时钟电路电源输入电路控制电路输出电路And二. 数字电路系统的组成30 主要作用是将被控信号加工变换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。 如在数字频率计的设计制作中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。有些模拟信号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。2.控制电路1.输入电路 功能是将信息加工运算并为系统各部分提供所需的各种控制。 如多路可编程控制器的设计制作，其定时器即为一控制电路，正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的时间周期（定时器的定时时间）一组一

14、组地送给地址计数器，形成时间控制。数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路，它们是整个系统的核心。设计控制电路是数字系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性与时序性。314.时钟电路 时钟电路是数字电路系统中的灵魂。 它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。 输出电路是完成系统最后逻辑功能的重

15、要部分。 数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路。其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟输出信号。比如数字频率计的显示译码与数码管电路，多路可编程控制器的并行移位寄存器及驱动电路等，都属于系统的输出电路。设计输出电路，必须注意与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面进行匹配。3.输出电路325.电源 电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所需的直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围内。CMOS电路对电源电压的要求相对比较宽松。设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压的稳定度及波纹系数等。 总之，任

16、何复杂的数字电路系统都可以逐步划分成不同层次、相对独立的子系统。通过对子系统的逻辑关系、时序等的分析，最后可以选用合适的数字电路器件来实现。将各子系统组合起来，便完成了整个大系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法进行系统设计，就可以避免盲目的拼凑，完成设计任务。331) 分析课题 必须充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功能、要求及技术指标。熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点。2) 确定总体设计方案 根据系统逻辑功能画出系统的原理框图，将系统分解。确定贯串不同方框间各种信号的逻辑关系与时序关系。方框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。3) 绘

17、制单元电路并对单元电路仿真 选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图。三. 数字电路系统设计的一般方法与步骤34 4) 分析电路 可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。5) 完成整体设计 在各单元电路完成的基础上，用电子CAD软件将各单元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。重新审查电路，以消除因某种疏忽造成的错误。6) 逻辑仿真 整体电路设计完毕后，再次在仿真

18、软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。 根据设计任务，设计出一个比较理想的数字电路系统必须经常训练，反复实践。为使设计尽可能优化，必须对数字电路器件，尤其是中大规模集成电路器件有比较多的了解。学会查阅数字电路器件手册，了解不同器件之间的区别。充分明了各器件输入端、控制端对信号的要求，输出端输出信号的特点，对设计者来说是十分重要的。351） 制作PCB电路板 如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的，则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印刷电路板。采用PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少不必要的差错，节省时间。2) 检测器件 在将器件安装到PCB上之前，对所选用的器件

19、进行测试是十分必要的，它可以减少因器件原因造成的电路故障，缩短工作时间。3) 安装元器件 将各种器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。安装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，便于器件不小心损坏后进行更换。数字电路的布线一般比较紧密、焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。四. 数字电路系统的装调36 充分理解电路的工作原理和电路结构，对电路输入输出量之间的逻辑关系，正常情况下信号的电平、波形、频率等做到心中有数。据此设计出科学的调试方法。包括选用的仪器设备，调试的步骤、每个步骤中检测的部位、如何人为设置电路工作状态进行测试等。01 明确每次测量的意义，要了解什么，希望解决什么问题，一

20、定要做到心中有数。从测量中掌握的各种数据、现象、观测到的信号波形等入手，通过分析、试验（调整）再开始新的测量，如此循环向下进行，就可以发现与排除故障，达到预定的设计目标。04 在寻找故障时，可以按信号的流程对电路进行逐级测量，或由前往后、或由后向前；也可以根据电路的特点从关键部位入手进行；或根据通电连接后系统的工作状态直接从电路的某一部分着手进行。03 可以先进行静态测量，确定IC的电源、地、控制端的静态电平等直流工作状态是否正常后再进行动态测量，如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合。024） 电路调试

21、 电路的调试可分两步来进行，一是单元电路的调试，然后是总调。只有通过调试使单元电路到达预定要求，总调才能顺利进行。375) 归纳总结 当电路能够正常工作以后，应将测试的数据、波形、计算结果等原始数据归纳保存，以备以后查阅。最后编写总结报告。总结报告应对本设计的特点、所采用的设计技巧、存在的问题、解决的方法、电路的最后形式、电路达到的技术指标等进行必要的分析与阐述。38 模数混合PART 04A/D转换器D/A转换器39D/A转换器 A/D转换的任务是实现模拟信号的数字化，通常A/D转换由采样保持、量化和编码三部分组成D/A转换器将输入数字信号转换成相对应的模拟信号输入。内部覅安路一般分为四部分

22、。电压基准或电流基准、精密电阻网络、电子开关和电流求和电路A/D转换器40转换时间转换速率转换精度模数转换器的技术指标现在随着科技水平与制造工艺的发展，模数转换器的使用范围更加广泛， 因此我们要因地制宜的选择合适的模数转换器， 以达到功能性与经济性的良好结合。下面我们就针对模数转换器的技术指标与注意事项略作叙述。41转换时间指的是模数转换器自接到转换控制信号直到输出端可以得到稳定的信号所需要的时间。这个时间的长短受转换电路的类型影响较大，在这几种类型的转换器中， 间接型模数转换器的转换速度是最慢的， 一般都在 10 300ms 之间，有时所用的时间可能会更长。逐次比较型模数转换器的转换速度要优

23、于间接型模数转换器， 它的转换时间可以控制在0 4s左右。并型比较型模数转换器的转换速度最快， 有的最快转换速度可以控制在 20 50ns 之间，单从转换时间来讲， 并型比较型模数转换器是转换速度最好的模数转换器。转换时间42转换速率是转换时间的倒数， 用来表示转换的速度。如一般情况下，并型比较型模数转换器的转换速率可达到 20 50M 次 /s; 逐次比较型模数转换器的转换速率可以达到 2 5M次 /s 左右; 间接型模数转换器的转换速率与前两种相比则要小得多。转换速率43 转换误差转换误差用于表示输出误差的最大值， 它用于衡量模数转换器实际输出的数字量与理论输出数字量的差别， 可用最低有效

24、位数的倍数来进行表示。常可分为量化误差、 偏移误差和满刻度误差等。分辨率分辨率一般是以输出的二进制或十进制数字的位数来进行表示的，它是用来衡量模数转换器对输入信号的分辨能力的。由于 N 位输出的模数转换器可以用于区分 2 的 N 次幂级次的不同等级的模拟输入电压， 其区分能力为满量程输入电压的 1 /2N，且在电压一定的情况下，位数越高， 分辨率就越高。单位分辨为 1LSB，如 N = 12 时，用百分数可将其表示为: 1 /212= 0 24。转换精度44转换速率选择在进行转换器转换速率的选择过程中， 要首先选择好采样速率位数选择一般情况下，我们在要考虑两个主要因素， 即静态精度和动态平滑性

25、。选择模数转换器时的注意事项45一般来说， 分辨率越高，平滑性越好。数位在 13 位以上的具有较高的分辨率， 其平滑性较好; 在 9 12 位间的为中等分辨率，其平滑性一般; 在 8 位以下的为低分辨率，其平滑性较差。要适当选择其位数， 避免选取的过低以影响精度，也不要选取得过高以增加成本。位数选择时的注意事项46如果转换器的转换时间为 100s 时，其对模拟信号的处理频率最高为 1000Hz， 而当转换时间 为 10s 时， 其 对 模 拟 信 号 的 处 理 频 率 可 提 高 至10000Hz。如果再提高处理频率就较为困难了， 所以定出的转换速率要在满足定理的同时，符合实际的条件。转换速

26、率选择时的注意事项471）在布局时，需要考虑哪些属于模拟部分电路，哪些属于数字电路，两者之间的要分开放置，防止互相干扰。2）电源分离。模拟电源和数字电源通常要分开，以避免相互干扰。如果把数字电源与模拟电源重叠放置，会产生耦合效应，相互干扰。3）地平面要分开:在分离电源的同时，模拟地和数字地也要相应该进行分离，以构成两个相互独立的地平面，保证信号的完整性数模混合注意情况48 高速PCB设计PART 0549高速电路设计的几个要点电磁兼容性（EMC）分析电源完整性（PI）分析高速电路定义及其一般流程信号完整性（ SI ）分析50高速电路：如果数字逻辑电路的频率达到或者超过 50MHz，而且作在这个

27、频率之上的电路已经占到整个电子系统的 1/3 相比较于低速PCB设计过程，高速PCB中进行了原理图仿真以及SI（信号完整性），PI（电源完整性），EMC（电磁兼容性）等的检测，目的是以此检验是否满足预计的信号完整性要求 传统的PCB设计依次要经过电路设计，版图设计，PCB制作等工序，且PCB的性能只能通过一系列仪器来测试，善于使用一些仿真工具将大大方便高速PCB设计者的工作一般高速PCB设计流程51反射信号延迟串扰振铃和环绕振荡信号完整性（SI）分析传输线效应过冲和下冲52传输线理论传输线理论认为电阻、电容和电导总是沿导体(印制导线) 分布的, 而不是集中的。一个导体(印制导线) 是否要用传输

28、线来模拟, 取决于导体的特性电阻、特性电容和特性电导对信号完整性影响的程度。一般来说, 当导体(印制导线) 比驱动器上升时间的一半还长的时候, 即当互连延时大于1 /2的上升时间时, 就应该把导体作为传输线来处理。53电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效的进行工作的能力。电磁兼容性主要包括电磁干扰（EMI）和电磁忍受，即过量的电磁辐射和对辐射敏感的程度。电磁兼容性（EMC）产生电磁兼容问题须符合以下三个条件：1.存在一定的辐射源；2.存在干扰传播途径；3.存在易受干扰的敏感器件54电源完整性（PI）电源完整性是指系统运行过程中电源受影响的情况。对于一个理想的电源来说，其阻抗为

29、零，平面任何一点的点位都是保持恒定的(等于系统供给电压)，然而际的情况并不如此，是存在很大的噪声干扰。在许多实际问题中，系统无法正常工作的主要原因是电源分配系统（PDS）设计不合理导致地弹噪声，同步开关噪声，尤其是在高速PCB设计中，电源分配系统的不合理设常常是导致系统工作不稳定的重要原因。55电子电路设计软件PART 0656随着计算机在国内的逐渐普及，EDA(ElectronicDesignAutomatic,电路设计自动化)软件在电路行业的应用也越来越广泛。这些软件包括电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，如：Multisim， Altium

30、Designer，Pads, Orcad, proteus57原理图的设计不管用什么软件，设计有个大致的程序，按顺序来会省时省力量，简洁生动。网络表的导入布线布局PCB设计流程58确定元件封装。要完成从原理图到PCB的转换，只有各个元器件对象的连接关系是不够的，还必须知道每一个元件的封装形式（Footprint）。软件中一般都提供了丰富的标准元件库，在导入网络表文件，必须先加载PCB元件封装库，并且要确保所有用到的库都已载入。原理图的设计59设置环境参数用户可以根据自己的习惯设置环境参数，如栅格大小、光标捕捉大小、公制英制单位的转换以及工作层面的颜色等。另外，因为PCB板图由很多层构成，所以还需要对PCB板的图层进行设置。确定元件封装要完成从原理图到PCB的转换，只有各个元器件对象的连接关系是不够的，还必须知道每一个元件的封装形式（Footprint）。软件中一般都提供了丰富的标准元件库，在导入网络表文件，必须先加载PCB元件封装库，并且要确保所有用到的库都已载入。原理图的设计60原理图的比较61网络表的导入要想将设计好的原理图转变成可以制作成电路板的PCB图，就必须通过网络表这一桥梁。在设计完原理图之后，通过原理图内给出