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第三章 模拟系统设计,09:39,2/102,主要模拟器件公司网站：,Maxim http:/www.maxim-ic.com.cn/ Maxim Integrated Products成立于1983年。2001年，Maxim并购了Dallas Semiconductor。 Linear http:/www.linear.com.cn/ Vicor http:/www.vicor-china.com/ 主要为电源产品 AD http:/www.analog.com/zh/index.html TI http:/www.ti.com/ NXP http:/www.nxp.com/ 飞利浦半导体 2006年09月 Freescale http:/www.freescale.com.cn/ 2004年7月摩托罗拉,09:39,3/102,模拟系统设计,概述,基本放大电路及信号处理电路设计,信号发生及输出电路设计,A/D和D/A转换电路,电源设计电路,模拟电路EDA,09:39,4/102,3.1.1 模拟系统的组成,典型的模拟系统包括三部分：传感器件、信号放大与变换电路(模拟电路)和执行机构。P95 传感器的作用：把非电量信号(声音、温度、压力、流量等)转换为连续变化的电信号，以便在模拟电路中进行放大和变换。 执行机构作用：把电能转换成其他形式的能量，以完成所需要的功能，喇叭、电铃、继电器、示波器等都是执行机构。 模拟电路作用：实现电路的放大和变换以及驱动执行机构动作。放大电路、振荡电路、整流电路、电源电路、滤波电路以及各种波形变换电路或它们的组合都是模拟电路。,3.1、概述,09:39,5/102,3.1.2 模拟电路设计的主要任务和基本方法,任何复杂的电路都是由简单的单元电路组合而成的。可将一个复杂的模拟电路分解成若干具有基本功能的电路，然后对这些单元电路进行设计。 基本功能电路中，放大器应用最普遍。 同时系统离不开电源，电源的设计也是一个重要部分。 本章主要介绍一些放大器应用电路和集成稳压电源的设计。,09:39,6/102,3.2 电源设计电路,3.2.1 电源输出不稳定的原因,电网输入电压不稳定。 由供电对象引起供电电压不稳定。主要为负载变化。 由稳压电源本身的条件造成的电压不稳定。 环境条件的变化如湿度、温度和其它环境条件影响灯也会使稳压电源的输出不稳定。 因此，在设计电源时，需要考虑以上因素。,09:39,7/102,3.2.2 稳压电源技术指标,1、输入电压影响输出电压的几种指标形式。 P96 (1)稳压系数(绝对和相对)；(2)电网调整率；(3)电压稳定度。 2、负载对输出电压影响的几种指标形式。 (1) 电网调整率；(2)输出电阻(又为等效内阻或内阻)。 3、纹波电压的几种指标形式。 (1) 最大纹波电压； (2)纹波系数；(3)纹波电压抑制比。 4、漂移。 5、响应时间。 6、失真。 7、稳定度。,稳压电源技术指标包括规格指标和质量指标两部分。规格指标主要有：容量大小、输入电压允许范围、输出电压、负载允许电流等。质量指标主要有：负载特性、效率高低等。,09:39,8/102,3.2.3 稳压电源的分类,小功率直流稳压电源的组成,稳压电源分类 按稳压对象可分为直流稳压电源和交流稳压电源。 按稳压方式分参数式稳压电源和反馈调整式稳压电源。 按调整元件和反馈元件的连接方式可分为串联式和并联式。 按调整元件的工作状态可分为线性和开关稳压电源。 按调整元件的品种可分为辉光放电管稳压电源、稳压二极管稳压电源、电子管稳压电源和晶闸管稳压电源。,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,09:39,9/102,整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。 滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。 方法：将电容与负载RL并联或将电感与负载RL串联。,09:39,10/102,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。 稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。 稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,09:39,11/102,3.2.5 集成稳压电源,单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。 最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。,1. 分类,XX两位数字为输出电压值,（1. 25 37 V 连续可调）,09:39,12/102,2. 外形及引脚功能,W7800系列稳压器外形,W7900系列稳压器外形,塑料封装,09:39,13/102,封装,符号,塑料封装,金属封装,09:39,14/102,3. 性能特点（7800、7900系列）,输出电流超过 1. 5 A（加散热器） 不需要外接元件 内部有过热保护 内部有过流保护 调整管设有安全工作区保护 输出电压容差为 4%,输出电压额定值有: 5V、6V、 9V、12V 、 15V、 18V、 24V等 。,09:39,15/102,输出为固定正电压时的接法如图所示。,(1) 输出为固定电压的电路,输入与输出之间的电压不得低于3V！,4. 三端固定输出集成稳压器的应用,0.11F,1F,为了瞬时增减负载电流 时，不致引起输出电压 有较大的波动。即用来 改善负载的瞬态响应。,用来抵消输入端接线 较长时的电感效应， 防止产生自激振荡。 即用以改善波形。,09:39,16/102,(2)同时输出正、负电压的电路,09:39,17/102,UXX: 为W78XX固定输出电压 UO= UXX + UZ,（3）提高输出电压的电路,IO= I2 + IC,（4）提高输出电流的电路,当 IO较小时，UR较小，T截止 ，IC=0。,当 IO IOM时，UR较大，T导通 ，IO=IOM + IC,R 可由功率管 T的UBE和稳压器的IOM确定, 即R UBE /IOM 。,09:39,18/102,5. 三端可调输出集成稳压器的应用,流过调整端电流 100 µA，在要求不高的场合它在R2上的压降可以忽略,2、1两端电压为 1.25V 基准电压,09:39,19/102,一、 串联型开关稳压电路,3.2.6 开关稳压电源,调整管,取样 电路,开关调整管控制,组成框图,滤波,频率固定的三角波,误差放大,续流,09:39,20/102,工作波形,= DUI,脉宽调制式 (PWM),09:39,21/102,稳压原理,D = 50 %,当 uF = UREF ，,uA = 0，,UO 为预定标称值,09:39,22/102,二、 并联型开关稳压电路,高电平,低电平,截止,截 止,09:39,23/102,单片脉宽调制式(外接开关功率管),3.2.7 集成开关稳压器及其应用,类型,单片集成开关稳压器,CW1524,CW4960/4962,一、CW1524/2524/3524(区别在于温度范围),组成：,基准电压源、误差放大器、脉宽调制器、 振荡器、触发器、 2 只输出功率管、过热保护,最大输入电压：40 V,最高工作频率：100 kHz,每路输出电流：100 mA,内部基准电压：5 V(承受 50 mA电流),09:39,24/102,取样电压,基准电压,输出 方波,定时电容,定时电阻,关闭, 控制脉宽,接扩流晶体 管 C、E 极,输入 电压,CW1524 系列引脚排列,09:39,25/102,f0 = 1.15 / R5C2 = 19.2 kHz,+ 5 V,限流取样电阻(1 A),09:39,26/102,二、CW4960/4962,组成：基准电压源、误差放大器、脉宽调制器 开关功率管(内接)、软启动电路、 过流限制、过热保护,功能：慢起动、过流保护、过热保护 占空比可调(0 100 %),最大输入电压：50 V,输出电压：5.1 40 V 连续可调,最高工作频率：100 kHz,额定输出电流：,CW4960 2.5 A (过流保护 3.0 4.5 A),CW4960 1.5 A (过流保护 2.5 3.5 A),小散热片,不用散热片,09:39,27/102,CW4960/4962 系列引脚图,09:39,28/102,CW4960/4962 应用电路,取样电阻 500 10 k,工作频率控制 f = 1/ RTCT,106 kHz,一般 RT = 1 27 k,CT = 1 3.3 nF,频率补偿 防寄生振荡,续流二极管 采用肖特基管,软启动电容 1 4.7 F,09:39,29/102,3.3 基本放大电路及信号处理电路设计,3.3.1 功率放大器的设计 要求在允许的失真条件下输出足够大的功率，放大器工作在极限状态，是大信号放大器。电路结构、工作状态、分析方法及电路的性能指标等与普通放大器不同。,特点是尽量大的输出功率、尽可能高的转换效率和允许的线性失真。,OCL互补对称功率放大电路全称为无输出电容的互补对称功率放大电路，简称为OCL电路。它采用双电源而不需要电容器的直接耦合互补对称功率放大器。,OTL采用单电源及大容量电容器与负载耦合的电路。,09:39,30/102,3.3.2 信号预处理电路,放大、滤波、线性化、温度补偿、整形等。 集成运算放大器,09:39,31/102,运放应用电路,09:39,32/102,09:39,33/102,09:39,34/102,09:39,35/102,09:39,36/102,RC有源滤波器的设计,09:39,37/102,09:39,38/102,09:39,39/102,09:39,40/102,09:39,41/102,09:39,42/102,09:39,43/102,09:39,44/102,09:39,45/102,09:39,46/102,信号之间的变换：电压-电流；电压-频率；光-电；模数等。,09:39,47/102,09:39,48/102,09:39,49/102,09:39,50/102,09:39,51/102,09:39,52/102,09:39,53/102,09:39,54/102,09:39,55/102,09:39,56/102,09:39,57/102,09:39,58/102,09:39,59/102,09:39,60/102,09:39,61/102,09:39,62/102,09:39,63/102,09:39,64/102,3.4 信号发生器及输出电路,09:39,65/102,09:39,66/102,09:39,67/102,09:39,68/102,09:39,69/102,09:39,70/102,09:39,71/102,09:39,72/102,09:39,73/102,09:39,74/102,09:39,75/102,09:39,76/102,09:39,77/102,09:39,78/102,09:39,79/102,09:39,80/102,09:39,81/102,09:39,82/102,09:39,83/102,09:39,84/102,09:39,85/102,09:39,86/102,3.5 A/D和D/A转换器,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。,09:39,87/102,3.5.1 D/A转换器的基本原理,将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,基本原理,09:39,88/102,转换特性,D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：,09:39,89/102,（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为： （2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。 （3）输出建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。,09:39,90/102,09:39,91/102,3.5.2 A/D转换器的基本原理,模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,09:39,92/102,t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。,09:39,93/102,（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2121.22mV。 （2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 （3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,09:39,94/102,09:39,95/102,3.6 模拟电路EDA,OrCAD Multisim 可编程模拟电路：有Zetex公司、Lattice半导体公司和Anadigm公司 1992 年 美 国 Lattice 公 司 发 明 了 在 系 统 可 编 程 技 术 (In-System Programmability)， 彻 底 改 变 了 传 统 数 字 电 子 系 统 的 设 计 和 实 现 方 法， 开 创 了 数 字 系 统 设 计 的 里 程 碑。 1999 年11 月，Lattice 公 司 又 推 出 了 在 系 统 可 编 程 模 拟 电 路 (In-System Programmability Programmable Analog Circuits)， 翻 开 了 模 拟 电 路 设 计 方 法 的 新 篇 章。 为 电 子 设 计 自 动 化 (EDA) 技 术 的 应 用 开 拓 了 更 广 阔 的 前 景。 与 数 字 的 在 系 统 可 编 程 大 规 模 集 成 电 路 (ispLSI) 一 样， 在 系 统 可 编 程 模 拟 器 件 允 许 设 计 者 使 用 开 发 软 件 在 计 算 机 中 设 计、 修 改 模 拟 电 路， 进 行 电 路 特 性 模 拟， 最 后 通 过 编 程 电 缆 将 设 计 方 案 下 载 至 芯 片 中。 在 系 统 可 编 程 模 拟器 件 可 实 现 四 种 功 能：(1) 信 号 调 理 (2) 信 号 处 理 (3) 信 号 转 换 (4)电源管理。 信 号 调 理 主 要 是 能 够 对 信 号 进 行 放 大、 衰 减、 滤 波。信 号 处 理 是 指 对 信 号 进 行 求 和、 求 差、 积 分 运 算。 信 号 转 换 是 指 能 把 数 字 信 号 转 换 成 模 拟 信 号。电源管理是对电源定序和监控。ispPAC Power Manager 器件能在单个芯片上实现完全的电源定序和监控功能，无需使用一大堆的比较器、电阻、电容、定时器和逻辑。 目 前 已 推 出 了 七 种 器 件: ispPAC10，ispPAC20，ispPAC30，ispPAC80， ispPAC81，ispPAC-POWR1208和ispPAC-POWR604。,09:39,96/102,PAC-Desiner软件,PAC-Desiner软件是美国Lattice 公司专为在系统可编程模拟器件ispPAC开发的设计软件。通过这个软件，用户可设计电路、仿真电路并能将设计信息下载到芯片的E2CMOS存储器中保存起来。使用PAC-Designer设计模拟电路简单快速，用户只需要改变原理图上的连线和参数，并下载到芯片即可，同时可通过软件的仿真器对电路进行仿真，观察所设计电路的幅频特性和相频特性。,09:39,97/102,图 形 设 计 输 入 环 境,09:39,98/102,双 二 阶 滤 波 器 设 计 实 例,09:39,99/102,仿 真 参 数 设 置 对 话 框,仿 真 参 数 设 置 对 话 框,09:39,100/102,双 二 阶 滤 波 器 的 仿 真 曲 线,09:39,101/102,设计练习,1为了调试电路方便，拟制做一个能利用6F22型层叠电池（数字万用表电池V=9V）供电，由LM336-5基准电压器件（自行查阅相关资料）稳压，输出电阻100，用电位器可调整的输出电压为05V的电路。注意：LM336-5的输出电压虽制造时经过激光校准，仍可能有±1%的容差。 2AD590是一款电流源型的温度传感器，供电电压518V，输出电流灵敏度为1µA/K。试为其设计一个前置电路，要求电路输出电压在时为0，在100时为2V。 3正弦信号频率范围0.1Hz1MHz，峰-峰值10mV，请为此信号设计一个放大器，要求输出电压峰-峰值为1V。 4试利用运放为第2题前置级后设计一个截止频率为2kHz的低通滤波器，要求增益为2.5。,09:39,102/102,设计练习,5试利用引脚可编程的开关电容滤波器为有失真的工频信号设计一个输出基波的滤波器，信号峰-峰值范围为02V。 9试利用三端线性稳压集成芯片设计一个输出电压030V，输出电流0.5A；输出电压可用电位器调整的稳压电源。 10试为某种采用四节一号碱性干电池（1.5V）供电的电子设备设计一个稳压电源，要求输出电压为5V，输出电流为0.lA。且当电池电压跌落到5.5V时，用LED报警。 11试用DC-DC变换器为上题设计相应电路。 12试用DC-DC变换器设计一个数控稳压电路，要求，I0=0.5A，纹波电压50mV。数控输出电压步长0.1V。,
