《电子系统设计与实践》配套教学课件

电子系统设计与实践

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第一讲常用电子器件介绍

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一.电阻

1.电阻按功能分

(1)普通电阻用作降压或限流

(2)热敏电阻正温度系数(PTC)

负温度系统(NTC)(3)光敏电阻用作光敏传感器

(4)压敏电阻用于吸收过电压

(5)可变电阻

(6)其它特种功能电阻2.普通电阻按材料分

A.碳膜电阻

B.金属膜电阻

碳膜电阻和金属膜电阻一般为小功率电阻(小于5W)

电子系统设计与实践C.绕线电阻不适合在高频电路中应用D.水泥电阻均为功率电阻,可达数百W

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3.按结构分

A.引脚式

B.贴片式

C.网络式多只电阻并联

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4.技术参数

A.标称阻值

1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.2，2.4，2.7，3.0，3.3，3.6，3.9，4.3，4.7，5.0，5.1，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2，9.1

实际电阻值取上述基数的

B.标准功率

W,W,W,W,W,1W,2W,5W,50W,100W

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C.精度

D.耐压

小功率电阻耐压有：50V,100V,150V,200V,300V1/8W电阻的耐压为150V左右

E.温度系数

±５ＰＰＭ／℃－±５０ＰＰＭ／℃5%，1%，0.5%，0.25%，0.1%，0.01%引脚电阻技术参数表普通金属膜贴片电阻技术参数

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二.电容器

1.电容按材料分

(1)瓷片电容(CC)有高压和低压之分

电容量：1--6800pF

额定电压：63V--15000V主要特点：高频损耗小，稳定性好

应用：高频电路

电子系统设计与实践电容量：1000pF--10uF

额定电压：63--2000V工作温度:85℃或105℃(1000小时)主要特点：一致性好,体积小，稳定性略差

应用：主要用于高频功率电路

(2)ＣＢＢ金属化薄膜电容主要有聚脂膜和聚丙烯膜

电子系统设计与实践(3)独石电容容量范围：0.5PF--1UF

耐压：

63V--1000V主要特点：电容量大、体积小、电容量稳定，耐高温耐湿性好，但温度系数很高应用：广泛应用于电子精密仪器,各种小型电子设备作谐振、耦合、滤波、旁路。

电子系统设计与实践(4)钽电容电容量：0.1--1000uF

额定电压：6.3--125V

主要特点：损耗、漏电小于铝电解电容

应用：可靠性要求较高场合代替电解电容

电子系统设计与实践(5)铝电解电容

电容量：0.47--10000uF

额定电压：6.3--450V

主要特点：体积小、容量大、损耗大，漏电大

应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等

电子系统设计与实践２．按电解质性质分固态电容器：ＣＢＢ、瓷片等液态电容器：铝电解电容３．按封装分带引脚贴片网络电容多个电容封装在一起

电子系统设计与实践４．电容器主要技术参数Ａ．标称容量

1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，3.6，3.9，4.2，4.7，5.6，6.2，6.8，7.5，8.2。Ｂ．耐压实际电容值取上述基数的6.3V,10V,16V,25V,35V,50V,63V,100V,160V,250V,400V,450V,630V,1000V,1250V,2KV,3KV,5KV,10KV

电子系统设计与实践Ｃ．精度

±5%(J级)±10%(K级)，±20%(M级)Ｄ．损耗角（tgδ）Ｅ．串联等效电阻（ESR）前二个参数在高频电路或开关电源中很重要

电子系统设计与实践Ｆ．最大脉动电流如：400V/10µF/280mAＧ．工作温度和寿命普通薄膜电容或电解电容（CD11系列）的寿命1000小时/85℃下。电解电容器工作温度每降低10℃，其寿命增加一倍，每增加10℃，寿命减少一倍。Ｈ．漏电流

I=0.02CV+25µA如：400V/10µF电容I=105µA上述三个指标主要用于铝电解电容ＣＢＢ电容技术参数

电子系统设计与实践电解电容技术参数

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三．电感１．电感分类Ａ．色码电感空芯电感，容量小，只有µH级Ｂ．高频（铁氧体芯）电感非线性元件，电感量随工作频率而改变，可做µH、mH级，Ｃ．低频（矽钢片）电感：频率在几百Ｈｚ以下，可做mH级。２．按线圈分Ａ．漆包线有单股和多股两种形式Ｂ．ＰＣＢ板

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３．按封装分Ａ．引脚Ｂ．贴片

电子系统设计与实践４．技术指标Ａ．标称容量电感容量一般按用户要求定制．Ｂ．额定电流电感线圈的载流能力，如0.5A，1A。Ｃ．额定电压线圈承受的电压，在高压应用场合，要考虑耐压问题。Ｄ．精度

±5%(J级)±10%(K级)，±15%(Ｌ级)，±20%(M级),±30%(N级)

电子系统设计与实践Ｅ．损耗电感损耗有铁损和铜损两部分组成。铁损：磁涡流产生的损耗，随频率提高而大幅度增加铜损：漆包线电阻产生的热损耗，随频率提高而略有增加

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四．磁性材料１．磁性材料分类Ａ．硬磁

硬磁主要有钕铁硼材料组成，用于制造扬声器和电机Ｂ．软磁

软磁有铁氧体粉末组成，用于高频电感软磁又分为MnZn（锰锌）和NiZn（镍锌），高导和低导

电子系统设计与实践２．主要技术指标Ａ．初始磁导率 初始磁导率是磁性材料的磁导率(B/H)在磁化曲线始端的极限值，即：

式中：真空磁导率；Ｈ交流磁场强度；Ｂ交流磁通密度。

电子系统设计与实践Ｂ．饱和磁通密度

磁化到饱和状态的磁通密度

Ｃ．剩余磁通密度

从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度Ｄ．矫顽力

从饱和状态去除磁场后，磁芯继续被反向的磁场磁化，直至磁场密度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力

电子系统设计与实践Ｅ．品质因数Ｑ

品质因数为损耗因数的倒数：

Ｆ．磁芯损耗

磁芯在高磁通密度时的单位体积损耗

电子系统设计与实践Ｇ．电感因数

具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的电感量，即：

Ｄ．居里温度TC在该温度下磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性

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３．磁芯形状及规格Ａ．磁性形状常用有环形、EI、EE、

PQ、EFD、RM等近几年发展了平面磁性Ｂ．低导磁率磁性用作功率电感和功率变压器，初始导磁一般在3000以下Ｃ．高导磁率磁性用作滤波电感和信号变压器，初始导磁一般在5000以上低导ＭnZn功率铁氧体技术参数

电子系统设计与实践Ｄ．ＲＭ磁性

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电子系统设计与实践五．功率二极管１．工作原理及结构功率二极管是一种具有电导调制效应的器件

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２．分类

按材料可分为硅管、锗管和碳化硅管。按功能分：Ａ．普通整流管一般用于开关频率1kHz以下的输入整流电路中，其反向恢复时间一般在5μs以上。Ｂ．快恢二极管反向恢复时间100ns以下，工作频率在20kHz以上时需用快恢二极管。Ｃ．肖特基二极管肖特基二极管的反向恢复时间更短（10-40ns），一般用在高频开关电源的输出级整流电路中。

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３．技术参数

Ａ．正向平均电流IF（AV）指功率二极管连续工作时，在规定的环境温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。Ｂ．正向压降UF指功率二极管在指定温度下，流过某一稳定的正向电流时对应的压降。

Ｃ．反向重复峰值电压URRM

电子系统设计与实践Ｄ．最高工作结温TJM最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TJM表示。Ｅ．反向恢复时间trr功率二极管从正向偏置转向为反向偏置的过程中，正向电流IF降至零时刻起到反向电流为其最大值IRP的25%所需时间。Ｆ．浪涌电流IFSM指功率二极管所承受的最大连续一个或几个工频周期的过电流

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高效率快恢二极管性能一览表型号额定电流额定电压浪涌电流正向压降反向漏电流

IAV(A)

VRRM(V)

IFSM(A)

VF(V)

I(μA)HER1011503015HER10211003015HER10312003015HER1041300301.35HER1051400301.35HER1061600301.75HER1071800301.75HER10811000301.75

注：正向压降均在１Ａ负载下测试．

二极管正向压降与管子耐压和通过的工作电流有关

电子系统设计与实践功率二极管详细参数介绍

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五．功率ＭＯＳ管１．器件结构及原理功率场效应晶体管（PowerMetalOxideFieldEffectTransistor，MOSFET）是一种只有一种载流子导电的单极性电压控制型器件。

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２．结构特点

A、电压控制型元件，输入阻抗高

B、导通电阻Ron大C、工作频率高（对功率器件而言）

D、是一种元细胞集成器件,适合并联

E、DS极之间内部寄生二极管

F、单极性载流子导电

电子系统设计与实践3．主要技术指标

a、额定电压Uds它主要由VMOS管的漏源击穿电压U(BR)DS决定

b、最大漏极电流Idmax

标称MOS管电流额定参数

c、阀值电压Ugs(th)

又称门极开启电压

d、导通电阻：Ron

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e、最高工作频率fm:

Uds作用下，电子从源区（S）通过沟道到漏区所需要的时间

f、开通时间和关断时间：

开通和关断时间越大,则MOS管开关损耗越大. g、极间电容输入电容：Ciss=CGS+CGD输出电容：Coss=CDS+CGD

４、常用MOS器件

2N700060V/0.2A IRFD01460V/1.7A

IRFD210 200V/0.6A

IRFD110 100V/1.0A

IRF530100V/15A

IRF630 200V/9A

IRF730400V/5.5A

IRF830 500V/4.5AIRF840500V/8A IRFBF20 900V/1.7A IRFBF30 900V/3.6A功率MOS管参数介绍/

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电子系统设计与实践电子元器件主要生产厂家:电阻、电容、磁性材料无源器件生产：A.日本村田公司

貼片电阻B.日本TDK公司

磁性材料EPCOS公司电解及薄膜电容功率二极管、MOS管、IGBT有源器件生产：C、德国英飞凌公司

D、意法半导体公司WWW.ST.COME、安森美半导体公司WWW.ONSEMI.COM

电子系统设计与实践第二讲DC/DC直流电源设计

电子系统设计与实践常用的直流稳压电源有两种：线性直流稳压电源

高压差稳压电源

低压差稳压电源（LDO）非线性直流稳压电源(又称开关电源)AC/DC开关电源DC/DC开关电源电子系统设计与实践线性电源的主要特点可归纳为：

1．主要优点：

①输出纹波电压小②电路结构相对简单③无高频开关噪声④工作可靠性较高⑤电源稳定度较高⑥瞬态响应速度较快电子系统设计与实践2．主要缺点：①转换效率低，一般只有40~50%左右②体积大，重量重，不便于微型化③输入电压动态范围小④电容滤波效率低，必须具有较大的输入和输出滤波电容⑤如用三端稳压器,输出电压不能高于输入电压电子系统设计与实践开关电源的特点可归纳为：

1．主要优点：

①内部功率损耗小，转换效率高②体积小，重量轻，便于使产品微型化③开关频率高，滤波电容的容量和体积可大大减小④输入电压范围宽⑤电源形式灵活多样，选择余地大。如既可降压，也可升压或极性反转。电子系统设计与实践2．主要缺点:①输出电压纹波大②抗输入端浪涌电压的能力相对较差③存在较严重的开关噪声和EMI干扰，对电网的电磁污染大④电路结构相对复杂，电子元器件多电子系统设计与实践直流电源主要电气指标①额定输入电压和电入电压可变动范围直流稳压电源的额定输入电压为电网电压，如AC220V，其变动范围多为-15%~+10%。如直流电源为开关稳压电源则输入电压的允许变动范围将很宽，输入电压的下限往往可做到AC100V以下。②输入电流开关电源的最大输入电流发生于输入电压的下限和输出电压电流的上限，而额定输入电流是指输入电压和输出电压电流在额定条件下的电流值。电子系统设计与实践③电源效率在额定输入和输出条件下的输出功率与输入有效功率之比。④额定输出电压额定输出电压是指出现于直流电源输出端子间的直流电压的标称值。⑤额定输出电流额定输出电流是指直流电源输出端子能长时间连续供给负载的最大电流。电子系统设计与实践⑥稳压精度也称输出电压精度或电压调整率，是指出现改变输出电压的因素时，输出电压的变化量或变化量与额定输出电压之比，变化量越小，稳压精度越高。⑦纹波噪声纹波是出现在直流电源输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的交流分量，用峰-峰值表示，一般在输出电压的0.5%以下。噪声是出现在直流电源输出端子间的纹波以外的一种高频噪声成分，同纹波一样，也是用峰-峰值表示，一般在输出电压的1%左右。电子系统设计与实践⑧负载效应仅由于负载的骤变而引起的直流电压稳定输出量变化的效应。实际考核时负载从0%瞬时加到100%，或者从100%瞬时加到0%时，输出电压的变化量与额定输出电压之比。⑨源效应仅由于输入电压的骤变而引起的直流电压稳定输出量变化的效应。实际考核时输入电压从额定值的-15%瞬时加到+10%，或者从-15%瞬时加到+10%时，输出电压的变化量与额定输出电压之比。⑩保护功能实际使用的直流电源往往具有多种保护功能，如过流保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过温保护等。电子系统设计与实践2、其它类指标①温度直流电源内部有很多发热器件，因此其使用温度范围有严格的具体规定，直流电源的使用温度标准一般都规定在-5℃~50℃。②湿度同温度一样，湿度范围通常规定为20%~85%。③电磁兼容性开关型直流电源工作时会产生大量的射频干扰，对电网及其他附近的电子设备(如计算机、电视机)等都会产生影响，因此直流电源产品都必须满足各种国家和国际有关EMC标准。④可靠性可靠性一般用无故障工作时间（MTBF）表示，电源产品的MTBF通常要求在10万小时以上。电子系统设计与实践一、线性直流电源

线性稳压电源主要有工频变压器、整流滤波电路、基准源电路、比较放大器、电压调整晶体管、取样反馈控制电路等组成。其原理框图如下图所示。

线性稳压电源结构图

电子系统设计与实践调整管死里逃1、用稳压二极管

参数：a、稳压电压b、额定功率c、稳定电流范围Iz取稳压管最大工作电流的中间值IL为负载电流常用的稳压管有：Onsemi公司，ST公司,NXP公司

1N系列，如：1N53333.3V5W,1N53385.1V5WBZX系列，如：BZX84B5V65.60.25W常用功率有:1/4W,1/2W,1W,2W,3W,5W电子系统设计与实践2、三端稳压器

78系列，最大输入电压35V，输出电流1A，输出电压误差5%

常用型号有:7805，7806，7808，7809，7812，7815，7818，7824（40V)78M系列，最大输入电压35V,输出电流500mA78L系列，最大输入电压32V,输出电流100mA78系列三端稳压器要求输入与输出间压差在2-3V以上，否则输出电压不能稳定。电子系统设计与实践78系列:78M系列:78L系列:

与78系列为正极性稳压器与之对应的有负极性稳压器79系列，输出电流1A。如：7905(-5V),7909（-9V）,7912(-12V),79L05(-5V,100mA)等

78、79系列内部具有过流、过温等保护功能，可靠性高，价格低；但最致命的缺点是：所需输入与输出间压差大，即功耗大，效率低。电子系统设计与实践78、79系列应用电路电子系统设计与实践3、输出电压可调三端稳压器常用三端可调稳压器有：LM317调节RW大小，即可方便的改变输出电压。最大输入电压40V，最大输出电流1.5A，最大输出电压32V,最小输出1.25V，电压调节范围：1.25V~32V/1.5A。电子系统设计与实践4、低压差稳压器（LDO）

78、79系列稳压器价格低，但缺点是入出间所需压差大，从而引起芯片自身功耗大、温升高、需要散热器，电源整体效率低。尤其对电池供电产品非常不利。

LDO内部结构图生产:TI公司、ONSEMI、MAXIM、NATIONAL，ST等电子系统设计与实践（1）NCP1117系列该稳压器为ONSEMI公司产品主要特点有：最大输出电流1A最大输入电压20V固定电压输出有1.5V、1.8V、1.9V、2.0V、2.5V、2.85V、3.3V、5V、12V，也能可调输出输出电流0.8A时的压差为1.2V输出稳压精度±1%内部集成了过温、过流等保护功能电子系统设计与实践

固定输出接法如图（A）所示，可调输出接法如图（B）所示。调节电阻R1的大小，可改变稳压器的输出电压值，其计算公式如下：

这里Uref为1.25V，Iadj取3-5mA。电子系统设计与实践

（2）TPS73XX系列 该稳压器为TI公司产品，该芯片的主要特点有：最大输出电流500mA最大输入电压10V固定输出电压为3V、3.3V、4.85V、5V，也能实现可调输出输出稳压精度±2%内部集成了过温、过流等多种保护功能压差随输出电流大小变化，比如IO=10mA时，5mV压差；IO=100mA时，50mV压差；而IO=500mA，270mV压差。芯片还具有使能控制端电子系统设计与实践图（A）为固定输出接法，（B）为可调输出接法。使能端/EN接低电平时，稳压器有电压输出。稳压器的输出电压和电阻R1可按下面的公式计算：（A）这里Uref为1.182V,R2推荐值为169KΩ。（B）电子系统设计与实践

（3）MAXIM产品：MAX8556电子系统设计与实践5、精密基准电压源 基准电压源通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。在电路设计时，对于A/D转换器，D/A转换器等器件通常需要使用精密而又稳定的电压基准，即要求基准参考电压不仅稳定、误差小，而且要求芯片的温度系数和时漂也要求小，只有这样才能保证有较高的电压转换精度。电子系统设计与实践

常用电压基准芯片一览表

型号输出电压（V）温度系数(ppmv/℃)静态电流

精度（±%）输出电流（mA）LM285-1.21.235208uA1.5%20LM285-2.52.5MC14032.5101.25mA1.0%10mAMC1404u55.0MC1404u66.25MC1404u1010.0AD5802.5101.5mA0.4%10mAMAX8732.57~20300uA0.1%10mAMAX87557~20300uA0.06％MAX87610.07~20300uA0.05％TL431输出电压可编程50-2%100mATL431A1%TL431B0.5%TL431是三端可编程并联调整二极管，可以如同低温度系数的齐纳管一样运行，而且通过2个外部电阻可从Vref（2.5V）编程至36V输出，已广泛应用于各种电子线路中。

TL431的应用电路如上图所示，其输出电压为：

电子系统设计与实践二、DC/DC稳压电源

直流开关电源是指以高频开关方式获取稳定直流输出的电源，其特点是效率高（一般100W以下效率超过90%，中大功率电源效率超过95%）、体积小，现已广泛应用在家电、IT产品、仪器仪表等各个领域。随着诸如软开关、功率因数校正等电源技术的进步以及诸多新型半导体功率器件的问世，DC/DC电源产品也在不断的快速发展，它的发展趋势是高频化、高可靠、低功耗、低噪声、抗干扰和模块化。

DC/DC开关电源根据实现的功能可分为降压型、升压型和极性反转型。电子系统设计与实践

开关稳压电源通常有功率开关管VT、脉宽调制(PWM)控制与驱动器、LC滤波电路、取样反馈控制电路等组成。其原理框图如上图所示。AC/DC直流开关电源结构：电子系统设计与实践AC-DCDC-DC1、直流降压斩波电路（BUCK）：

通过开关方式，把一种电压等级较高的直流电变换成一种电压等级较低的直流电，主要采用Buck电路，它的输出电压可由下式计算：

式中α为占空比，ton为开关管导通时间，T为开关周期，E为输入端电源电压，由上式可知，通过控制开关管的导通时间ton，可方便的改变输出电压大小。开关管可由专用PWM集成电路（如TL494）控制，也可用单片机、DSP、CPLD等器件完成控制。电子系统设计与实践

在大多数小功率直流电源应用场合，可用DC/DC专用集成电路完成降压功能。常用的降压芯片有：NCP1522、MC34063、LM2575、LM2576等。下面先介绍常用的美国国家半导体公司（NATIONAL）生产的LM2576降压集成电路，该芯片的主要特点有：最大输出电流3A最大输入电压40V，高压版为60V输出电压可固定在3.3V、5V、12V、15V，也能可调输出开关频率内置52kHz稳压精度±4%仅需4个外部元件芯片具有使能控制端内部集成了过温、过流等保护功能电子系统设计与实践

芯片5脚为使能控制端，接低电平时有电压输出，接高电平无电压输出；续流电感L1的电感量为150μH左右，L2和C1构成的滤波网络以减少输出端电压纹波；4脚为电压反馈端，改变电位器R2的大小，可获得所需要的输出电压。输出电压和反馈电阻可由下式计算：

式中Uref为基准电压取1.23V，R1取1kΩ至5kΩ；当LM2576为高压版时，它的输出电压为1.23V至50V。电子系统设计与实践2、直流升压斩波电路（BOOST）

把一种电压等级较低的直流电直接变换成一种电压等级较高的直流电，主要采用Boost电路。输出电压可由下式计算：

式中toff为开关管关断时间，α为占空比，T为开关周期。由上式可知，变换器输出电压恒大于等于输入电压E，通过控制开关管的占空比α，可改变输出电压的大小。电子系统设计与实践

大多数应用场合，也可用专用DC/DC集成电路完成升压功能。常用的DC/DC升压芯片有：NCP1450、MC34166、MAX1676、LM2577等。下面主要介绍较常用的NATIONAL公司生产的LM2577升压集成电路，该芯片的主要特点有：最大输出电流3A输入电压3.5V至40V最大输出电压65V开关频率内置52kHz固定输出时，仅需6个外部元件内部集成了过温、过流等保护功能电子系统设计与实践

以LM2577构成的升压电路如上图所示，它的5脚为电压输入端，4脚内接功率开关管，1脚为RC补偿端，构成比例积分电路；2脚为电压反馈端，改变电阻R1的大小，可获得所需要的输出电压；升压电感L1的电感量为100μH左右。输出电压可由下式计算：

上式中，Uref为基准电压1.23V，故改变电阻R1大小，可实现1.23V至65V的任意输出。电子系统设计与实践

目前很多便携式电子产品用单节电池供电，故经常需要把1.2V左右的电压升至3.3V或5V，供单片机等其它电路工作。可选用的低电压升压芯片有：NCP1450、NCP1421、MAX1763、MAX1708等。下面介绍Maxim公司的MAX1708，该芯片为单片高效、CMOS、升压开关型DC-DC稳压器，只需配用少量的外围器件就可完成低电压升压功能。该芯片的主要特点有：最大输出电流2A输入电压0.7V至5V输出电压为3.3V、5V或可调输出2.5V至5.5V开关频率内置600kHz自身静态功耗1mW内部集成了过温、过流等保护功能电子系统设计与实践

MAX1708引脚排列如上图所示，其固定输出时的应用电路如图4-11所示，当C1换成固定电阻R2，R1改成电位器时，升压变换器就可实现输出电压在2.5V至5.5V范围内的任意可调。电子系统设计与实践引脚号引脚名称引脚功能描述1=1，ONA=0，器件关闭2ONA=0，ONA=1，器件开启3，4，5LX内部功率MOS开关管漏极6,9GND信号地7SS/LIM软启动或电流限制端8REF电源基准输出端，到地接0.22μF滤波电容10OUT输出电压检测输入端11FBDC-DC变换器反馈输入端12，13，14PGND电源地15/5输出电压选择端。接低电平，输出电压为3.3V；接高电平，输出电压为5V。16CLK驱动管集电极电子系统设计与实践3、极性反转通过非隔离方式得到一种负电源，可采用下图所示的升降压极性反转变换器电路。

式中ton为开关管导通时间，toff为关断时间，E为变换器输入电压。由上式可知，变换器输出电压既可以大于输入电压E，也可以小于输入电压E，它的大小完全取决于开关管的占空比。电子系统设计与实践（1）用MC34063A构成的反转性升降压变换器小功率负电压输出的直流电源通常用DC/DC专用集成电路完成，常用的集成电路有：CS5172、MC33167、LM2611、MC34063A等，下面主要介绍MC34063A。MC34063A芯片的主要特点有：内置开关管最大集电极电流1.5A输入电压范围3-40V开关管最大集电极耐压40V芯片可接成降压、升压、极性反转等形式，输出电压可调开关频率100kHZ内部参考电压精度为2％内部集成了过温、过流等保护功能电子系统设计与实践MC33063内部结构图电子系统设计与实践

电路中电阻RSC用作限流，当电流过大时，芯片内部振荡器将停止工作，图中RSC取值为0.24Ω，此时输入电流被限制在0.3V/0.24Ω≈1.25A内，改变限流电阻大小即可改变限流值，将1、8脚连接起来构成达林顿复合开关管，可以增大开关能力。如果在1脚外接扩流管，则能把输出电流增大到1.5A以上。MC33063是多功能芯片，还可用作降压、升压变换电路。电子系统设计与实践

（2）用ICL7660构成的反转性变换器

ICL7660/7662是一种采用电容泵原理的反极性变换器，它由Intersil公司生产，通过外接2个10uF的电容器，就能将正电压输入变为负电压输出，将单电源变换成对称输出的双电源，实现倍压或多倍压输出，从而简化了直流电源设计。ICL7660与ICL7662的原理相同，只是工作电压范围不同，前者为+1.5V～+10.5V，后者为+5V～+20V，芯片最大输出电流为10mA。

ICL7660/7662利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换，静态电流小、转换效率可达95%以上、外围电路简单，只需外接两个电容即可工作，可采用串联方式实现倍压输出。电子系统设计与实践

利用图（A）电路可将+5V电源变换成-5V电源，图中C1、C2均可选用10uF的钽电容，以进一步提高电源转换效率。需要指出的是：当VDD<+6.5V时，5脚可直接作为输出；当VDD>+6.5V时，为避免芯片损坏，输出电路须串接一个二极管VD，该电路的最大负载电流为10mA。为降低变换器的输出阻抗，提高带载能力及输出电流，可将多片ICL7660并联使用，两片ICL7660的并联使用如图（B）所示。每片ICL7660各用一只电容C1，而输出端则共用一只电容C2，若有N个芯片并联，则输出阻抗为RO’=RO/N，而输出电流可增大至10*NmA。（A）（B）电子系统设计与实践

如将ICL7660芯片串联则可获得多倍压输出，具体电路如C图所示，在ICL7660/7662串联时，一般将第一个芯片的输出端与第二片的GND端相连。若使用3个ICL7660，则可获得三倍压输出，即UO＝-3VDD，通常，串联芯片不宜超过3个。

（C）电子系统设计与实践、4、隔离式DC/DC变换器TI产品,PS有类似

三.智能车供电技术1.智能车电源需求

A.智能车主直流电机：7.2V,1AB.单片机及外围电路：5.0V,200mAC.舵机：6V，≤1A

Ｄ.传感器供电：摄像头:12VＥ.Ａ/Ｄ转换器基准电源：２.５V,10mA2、供电方案Ａ、摄像头组电子系统设计与实践四、DC/DC直流电源设计举例1.设计任务设计一个高效率隔离式DC/DC直流稳压电源。具体要求如下：输入电压：48-72V输出电压：12V额定输出功率：100W最大输出电流：10A电源效率：≥94%2.主电路拓扑选用单端反激隔离式DC/DC变换器,并采用谐振开关技术。MOS管开关过程波形采用零电压开关的MOS管上波形３.高频变压器设计根据输入电压和输出功率计算变压器原边平均电流IAVG原边峰值电流IP:注:上式中KRP为电流波形系数取1,DMAX为最大占空比取0.45原副边匝比:选用东磁公司DMR95(对应TDK95)的EC28磁芯,截面积Ae为86.6mm²,饱和磁通B为340mT变压器原边匝数NP:最后原边取整数6匝,则副边为1.83匝,最后取2匝。变压器原副边线圈采用平面变压器技术,用PCB板铜皮作为原副边线圈:4.原边功率MOS管选择设计原边MOS管耐压应大于输入电压最大值VMAX的2倍以上,工作电流应大于原边峰值电流IP的5倍以上,故选IRFS44275.副边功率MOS管选择设计为提高电流转换效率,副边采用同步整流技术,同理MOS管选用FDMS861016.原边PWM控制芯片

选用英飞凌准谐振PWM控制芯片,ICE2QS02G:7.副边同步整流控制芯片IR1161电源最终尺寸:9CM×4.5CM×1.5CM,实测效率达95%五、程控直流电源设计举例1.设计任务设计一个输出电压步进可调的数控电压源，并由数码管或LCD显示其电压输出值。具体要求如下：输入电压：30Ｖ输出电压：2~20V输出步进单位：0.1V输出纹波电压：<50mV输出额定电流：1A输出电压由数码管显示由“+”、“-”键分别控制输出电压的步进增减具有输出过流保护功能，输出电流达1.5A时，切断输出回路电子系统设计与实践2.设计方案一

主要由线性三端可调稳压器ＬＭ３１７、单片机、数控电位器等组成，结构如下图所示。其核心设计思想是由数控电位器代替传统的机械结构电位器，再由单片机控制数控电位器的阻值大小，从而实现输出电压的步进。

（1）电位器阻值计算

这里IR=50µA，为使负载开路时，也能使输出电压稳定，输出静态电流ＩＱ必须大于5mA。电子系统设计与实践为此可得：

另外：电子系统设计与实践故当输出电压为2V时，令ＲＷ＝０，代入上式可得R2值：当输出电压为20V时，又可得：所以ＲＷ=3750-150=3600Ω电子系统设计与实践(2)数控电位器选择由于输出电压调节步进单位为0.1V，故2~20V可调输出至少需有180个调节单位，为此可选128级双通道10KΩ的数控电位器ISL22326，用其内部两只10KΩ的电位器并联。ISL22326的内部结构如图4-25所示。

ISL22326主要技术参数：

电源电压：2.7V~5V工作电流：3mA电位器阻值：双路10kΩ，阻值位置掉电后保存抽头级数：128级抽头接触电阻：70Ω控制接口：I2C串行通信操作寿命：1000000次电子系统设计与实践图4-25ISL22326的内部结构图

ISL22326引脚描述

上述方案具有电路结构简单、成本低、易实施等优点，但是它的缺点也是明显的，那就是电源效率太低，尤其当输出电压为2Ｖ时，其系统效率最低。３．设计方案二本设计方案所需单片机的I/O口分配：A/D通道２路PWM输出１路“＋”、“－”按键２路过流保护继电器1路LED或LCD显示需１１个普通I/O口故共需17根I/OSH8实际可用18根I/O，选其内置振荡器工作方式，BUS频率选20MHz，PWM选９位，此时单片机实际产生的PWM频率可达50kHz。电子系统设计与实践（1）单片机选择考虑到BUCK电路的开关工作频率需在20kHz以上，故选用总线频率高，并自身带PWM发生器的单片机较合适，为此选用Ｆreescale公司的MC9S08SH8单片机，单片机引脚排列如下图所示。电子系统设计与实践SH8主要技术参数：电源电压2.7V~5V总线频率20MHz12通道10位ADC2通道PWM发生器SPI、I2C、UART通信接口各1个最多18个外部I/O接口程序存贮器8KB，512BRAMI/O口最大工作电流±25mA通过VDD的最大工作电流120mA电子系统设计与实践（2）MOS管驱动电路本设计方案中驱动电路IC2起两个作用，一是实现电平转移，二是增大驱动电流，降低开关管功率损耗。常用的驱动芯片有IR、ONSEMI、ST、NXP等公司生产，在本电路中选用IR公司的IR2111，利用其高端（HO）驱动。电子系统设计与实践

（3）ＬＥＤ显示

LED动态扫描电路中三极管Ｑ１处于开关状态，故：（4）主电路电感设计为使电流连续，临界电感量为：故实取电感ＬＣ为１００uＨ．电子系统设计与实践（5）输出滤波电容实取滤波电解电容E2为100UF/25V３只并联。（6）ＭＯＳ管选择由于输入电压为３0Ｖ，而最大额定输出电流为１Ａ，故可选ONSEMI公司ＭＯＳ管NTF3055：

BVDSS＝60Ｖ，ＩD＝3Ａ，ＲＯＮ＝120mΩ电子系统设计与实践（7）续流二极管选择选MBRS360肖特基二极管，其技术参数为：ＩＡV＝3Ａ,ＶＲＲＭ＝60Ｖ,ＩＦＳＭ＝75Ａ，ＶＦＭ＝０.6Ｖ（ＩＡV＝3Ａ时）（8）过流保护电路选过流保护采样电阻R5为0.1Ω，R6和R7为10KΩ，R8为220KΩ，R15为1KΩ，驱动三极管选S8050，过流保护继电器选5V/5A。电子系统设计与实践4.降低开关电源功耗的一些措施选用低导通电阻ＲＯＮ的MOS功率管，ＲＯＮ越小，导通损耗越小．选用合适的驱动电路，降低主开关管的开通和关断损耗选用合适的开关频率，开关频率越低，开关管和高频变压器的开关损耗就越小，当然开关频率应在20kHz以上．输出整流尽量选用肖特基二极管，并且耐压不宜过高．输出滤波电容尽量多只电容并联，以降低电容器的ESR．高频变压器的电感量适当加大，以降低流过主回路的峰值电流．从而提高效率．原副边线圈采用多股线．电子系统设计与实践讨论1.不同封装能承受的最大功率损耗:电子系统设计与实践电源芯片主要生产商:WWW.NATIONALSEMI.COMWWW.ONSEMI.COMWWW.TI.COMWWW.MAXIM.COMWWW.NXP.COMWWW.INFINEON.COMWWW.ST.COMWWW.DIALOG.COM电子系统设计与实践第三讲(AC/DC)开关电源设计

AC/DC开关电源常用的主电路结构：单端反激式开关电源单端正激式开关电源半桥式开关电源全桥式开关电源推拉式开关电源开关电源的控制方式：电压型PWM控制电流型PWM控制

MCU、ＡＳＩＣ或DSP控制B、AC/DC开关电源设计一、AC/DC开关电源常用电路结构1、单端反激式开关电源

U0＝(N2/N1)*(ton/toff)*Ui

当负载为零时（即开路）情况下，输出电压U0∞,这种情况不允许出现，故反激式电源接一个假电阻负载。2、单端正激式开关电源3、半桥开关电源设计U0＝(N2/N1)*(ton/T)*Ui如负载开路，则输出电压U0＝(N2/N1)Ui/24、全桥开关电源U0＝(N2/N1)*(2ton/T)*Ui输出电压比半桥电路大一倍

负载开路时：U0＝(N2/N1)*Ui

5、推换式开关电源二、PWM控制芯片介绍目前AC/DC常用的控制芯片有电压式和电流式两种。1、电压式典型芯片有：TL4942、电流型PWM控制器例一、AC/DC单路输出15W开关电源设计1.1设计要求已知条件：输入电压AC：85—265V输出功率PO=15W

输出电压：7.5V额定输出电流：2A

输出纹波电压:≤１００mV1.2电路结构选择考虑到输出功率较小，主电路可选择单端反激式，为此选择API（AdvancedPowerIntegration）公司的集成控制芯片TOP202。TOP202主要参数：

VDS=700V,DMAX=0.6，P=15W—30W,FS=100KHZ单端反激式输出切勿开路！！！1.3高频变压器设计A、计算最大和最小直流输入电压（加到变压器初级）:Vmin=1.1×Vacmin=1.1×85=93VVmax=1.4142×Vacmax=1.4142×265=375VB、输入电流平均值C、输入电流峰值取1，DMAX取0.6D、输入电流有效值E、计算变压器初级电感量

F、计算变压器原副边匝比计算ＮＰ需知道ＡL值，而ＡL由磁芯型号和尺寸决定．磁芯尺寸Ae可用平均功率估算:选PC40锰锌功率铁氧体磁芯RM8。其饱和磁通密度BS在100℃下为390mT，有效截面积Ae=64mm2，电感系数由初级电感量LP估算原边匝数：

考虑实际使用时变压器须加气隙，故单位匝数的电感量将下降,故可取：NP=2×22=44匝副边实取3匝，则对应原边调整为15.3×3=46匝G、计算变压器气隙如果气隙>1mm,则说明磁芯截面过大；如果气隙＜０.20mm,说明磁芯截面过小。H.变压器磁饱和校验交流磁通产生磁感应强度变化幅值：ΔＢac+ΔBdc=270+13.8=283.8<390mT,故磁芯工作时不会产生饱和．Ｉ、变压器线径计算原边线径：副边线径：１.４输入整流桥计算

由于输入整流桥流过的最大峰值电流为０．６６７Ａ，故选择２Ａ／６００Ｖ以上整流桥。１.５输入滤波电容计算输入滤波电容一般取输出功率的１－２倍，故取３３uF/400V1.6、输出滤波电容计算Dmin=Vinmax/实取６８０uF和１２０uF二只电容并联，或用多只小电容并联，以减少ＥＳＲ．选择２0A／３０V以上快恢或肖特基二极管如选IR公司的肖特基:20TQ04545V/20A，VFM=0.51V,TO-220AC如果要进一步降低输出整流管上损耗,可选用MOS管作同步整流,或者选用碳化硅肖特基二极管。1.7、输出整流二极管选择变压器次级峰值电流：例二、AC/DC开关电源用NCP1053设计的4.3V/2A开关电源:

谢谢！

电子系统设计与实践

第四讲运放及其应用

运放及其应用一.运放分类集成运放按功能分：A.通用运放:如LM358,LM324，NE5532A,TL064B.斩波放大器:OP177,AD8551C.差分放大器：AD8137D.仪器放大器：INA128E.隔离放大器：AD215,ISO121 F.增益可变或可编程放大器：PGA102,PGA207

运放及其应用G.音频功率放大器：AD547T,LM1875T，TPA0211H.视频放大器：AD8051，OPA3693I.射频放大器：AD8353，THS4271J.对数放大器：LOG101K.特殊放大器：XTR112(热电阻传感器用）

RCV420(4-20mA接收）按工作温度分：A.商业级:0∽70℃

B.工业级:-40℃∽85℃C.汽车级:-40℃∽105℃

D.军用级:-55℃∽125℃运放及其应用二.集成运放的主要技术指标

集成运放有很多技术指标,但可以归纳成四大类:速度类:如GBW,SR精度:VIO,IIB增益和噪声抑制能力:CMRR,GAIN电源:VCC,IQ运放及其应用1.单位增益带宽GBW(增益带宽积)

单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为0dB（1倍）条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707倍）时所对应的信号频率。

GBW=Avd

•fHAvd为中频开环差模增益

fH为上限截止频率(-3dB)

运放及其应用

举例说明：从技术手册上查询可知，TL064的ＧＢＷ＝１ＭＨＺ，因此如用TL064设计一个放大器，放大器的增益为：

１００dＢ时，则

２０dＢ时，则

从上面计算可知，当被放大的信号频率较高时，放大器的增益不宜过大，否则会造成信号失真运放及其应用2.转换速率（也称为摆率）SR

运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放输出信号上升速率。定义为：

转换速率SR反映了运放对于高速变化的输入信号的响应情况。对于一般运放其转换速率SR<=1V/μs，而高速运放的转换速率SR>10V/μs，目前的高速运放最高转换速率SR可达6000V/μs。运放及其应用

举例说明:

对于TL064来说，其SR=3.5V/µs,因此当输入信号频率f=100kΗz时，其最大不失真输出电压:

通用运放的SR一般为1-10V/µs,而高速运放可达6000V/µs.如LM324:它的SR=0.5V/µs,如把它接成电压跟随器，当输入信号频率f=100kΗz、幅度超过0.8V时，则它的输出会出现失真。运放及其应用3.输入失调电压Uio

由于集成运放的输入级电路参数不可能完全对称，所以当输入电压为零时，输出电压UO并不一定为零。为使得集成运放的输出端电压为零，需在输入端额外增加一个补偿电压，将该补偿电压定义为输入失调电压,即有：

输入失调电压是加在两输入端之间，使输出为零所需要的电压。输入失调电压与外电路无关，由运放自身性能所决定。4.温漂电压：Uio/℃

单位温度变化所引起的输入失调电压。如：LM324,它的温漂为±1µV/℃。5.输入失调电流IIO

输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，两输入端偏置电流的差值。运放对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大电阻（例如10k或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。运放及其应用运放及其应用6.输入偏置电流IIB

输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流的平均值，即:

,一般来说，此时：故由于输入偏置电流IIB的存在，当R1≠R2时，将产生较大的输入和输出误差电压。例如：LM324运放的IIB=20nA，若取:R1=10kΩ，R2=9kΩ，放大器闭环增益Gain=100。则图1-2集成运放的输入偏置电流运放及其应用7.共模抑制比CMRR

共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。CMRR是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。一般运放的共模抑制比在70～130dB之间。8.电源电压+VCC/-VEE

集成运放必须外接电源才能工作，电源电压的大小决定了最大输出电压的大小。集成运放有两种供电方式：单电源供电和对称双电源供电。单电源一般为5--32V；双电源一般为±3V--±18V。

运放及其应用9.静态工作电流

静态电流指在一定的电源电压供给范围内，输入信号为零时，运放自身所消耗的电流。例如，OPA277的静态电流为0.024mA。一般来说，希望运放的静态电流越小越好。10.输出峰-峰值电压UＯmax

当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前电源电压供电时能够输出的最大电压幅度。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载、电源电压、工作频率有关。输出电压：（V-）+4to（V+）-411.最大共模输入电压UIcmax

当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB时所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。输入电压：（V-）+5to（V+）-5运放及其应用12.输出电流

运放的输出电流反映了运放带负载的能力。常见运放的输出电流为几十毫安，如LM358,Io+=20mA,Io-=30mA13.差模输入阻抗运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于1000兆欧。放大器输入阻抗大，则对前级影向小。14.输出阻抗输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。输出阻抗小，意味着运放带负载能力强。运放及其应用三.典型运放介绍

HTTPS://WWW.TI.COM//1.普通运放运放及其应用运放及其应用运放及其应用注意：输出最大电压与运放供电电压、负载电阻、工作频率有关！常用运放一览表运放及其应用

运放主要生产商：WWW.ANALOG.COMWWW.TI.COMWWW.NATIONAL.COMWWW.ST.COMWWW.ONSEMI.COMWWW.MAXIM.COM四、集成运放的使用要点1、电源供电方式注意单、双电源，极限供电电压。2、集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算电路输入信号为零时，输出往往不等于零。３．集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。4．集成运放的保护问题

集成运放的安全保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。

五．单元电路设计

１．仪器放大器仪器放大器又称数据放大器：是一种高性能放大器，它一般具有高增益、高共模抑制比、高精度、高速等特点。仪器放大器常用在输入级作信号处理。

（1）.普通运放构成的仪器放大器

如需输出不含共模分量，输出级须完全对称，则要求：R4//R6=R7//R5

如令R2=R3,R4=R5=R6=R7，则得：故改变R1，即改变放大器增益Ad

设计要点:A1和A2级可设计成高增益，而不致引起较大的直流失调。输出级A3尽量用小电阻，以便减少直流失调（Ib引起的）R4－R7阻值要尽可能相等A1和A2要选同一芯片上双运放，这样可利用电路的对称性减少温漂引起的影响。

（２）集成运放INA128介绍

内部结构图２．可编程增益放大器（1）、用数控电位器实现可编程增益放大器数控电位器X9312技术参数:Vcc=5V,Ic=1mAR=50kΩ电位器可调级数:100级,阻值存贮按键式3线控制/CS/INCU//D阻值LPulseH升LPulseL降H不变（2）集成可编程增益放大器（PGA204）

A1A0=00,G=1A1A0=01,G=10A1A0=10,G=100A1A0=11,G=1000３、隔离放大器在医用仪器等产品中需要对被测信号进行电气隔离，电气隔离有两种方式：Ａ．用光耦隔离,用于低频Ｂ．用变压器磁隔离,用于高频（1）用线性光耦隔离

TIL300技术指标：

BW:200KHzVF=1.25VIFmax=50mA

隔离电压3500V线性度：3‰K1=

=

这里K3=1，由手册给定。而IF=1nA~20mA。经实测全量程内（0~2.5V）线性度在0.2%内。

设:（2）专用隔离放大器（AD210）

应用电路:４、精密度整流电路一般二极管硅管压降为0.7V,锗管为0.3V,肖特基二极管压降为0.2V.并且从二极管转移特性可知，它是非线性的。

因此在实际的交直转换电路中，若直接用二极管整流将造成严重的非线性。为此用运放构成有源整流电路，实现精密线性整流。所整流的信号大小为：0.7V/Av;若取Av=1000，则能对0.7mV的信号进行线性整流是完全可能的。

（1）反向精密半波整流器当Ui为正半周时，ΔU<0,Uout<0,故D1截止，D2导通故:当Ui为负半周时，D1导通，D2截止。故：Uo=0;当D1和D2红线接法为反相负极性选择。（2）同相精密半波整流器当Ui>0时，为正半周，D1截止，D2导通。Uo=当Ui<0时，为负半周，D1导通，D2截止。Uo=0

此时无反馈，变成比较器，故U+≠U-

如构成反馈，则U+=U-.（3）全桥整流电路信号本身和它的反相半波整流信号以1比2的比例组合在一起，故：V0=--（R5/R4)*VI--（R5/R3)*VHWVHW为半波整流输出由于VI>0时,VHW=--(R2/R1)VIVI<0时,VHW=0所以:V0=AP*VIVI>0VV0=--AN*VIVI<0V

式中AN=R5/R4AP=R2R5/R1R3--AN令:AN=AP=A故:V0=A*VIVI>0V0=--A*VIVI<0VHWVIVO５、电压电流转换电路实用电阻取Ｒ１＝Ｒ３，Ｒ２＝Ｒ４＋Ｒs下面证明

６、施密特触发器当输出电压最大值为±13V时VTH=+5V，VTL=-5V（1）反相施密特触发器（2）同相施密特触发器

同样，当输出电压最大值为±13V时VTH=+5V，VTL=-5V第五讲功率驱动电路设计

电子系统集成技研究所

电子系统设计与实践一、LED数码管驱动1、动态显示

LED有两种显示方式：动