模拟电路设计听课心得

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    听卓国文教授讲授模拟电路设计基础已经快两周了,虽然一共只有短短的二十个学时,仍能深切的感受到卓教授对同学的拳拳心意,希望在这短短的时间里让同学尽可能多地学到实际工程中电路设计的关键之处,而这些地方不是书本能够传达的,是教授多年经验积累下来的宝贵经验。每次课间都看到卓教授耐心地给同学讲解疑难,甚至连喝水的时间都没有,这时候总会由衷的感动。现在把听课的一些收获和体会记录下来,为今后的工作做参考。
    实际中的情况远比课本上学到的功能电路复杂,完成既定功能只是最基本的要求,实际中还要考虑多方面的因素。其中包括多个方面:
    1 器件特性因素:任何器件都有自己的有效范围,所以设计的产品必须保证其工作环境和工作模式在所有器件的有效范围内部,否则会发生失效甚至造成严重的后果。
    1)频率因素
    无论是电阻、电容还是电感,随着频率的升高,其特性都要发生变化。高频时电阻值变小,电容和电感在频率点处特性发生翻转。如果设计的产品可能工作在高频的时候,这些基本器件的高频特性是必须考虑的,例如高频时电阻值变小所产生的影响。
    2)温度因素,包括环境温度和自身散热
    半导体器件,例如二极管和三极管,受到环境温度变化的影响非常明显,如果设计的产品工作环境温度变化较大,一定要考虑温度的影响,这时应该在基本功能电路上加以改进,增加温度补偿和校正电路,或者使用温度稳定性高的器件。
    当器件工作的时候由于功耗的作用要产生热量使器件温度升高,这时要作出相应的考虑,例如减小工作电流,降低工作电压或者增加散热等。
    3)电压、电流范围
    器件都有自己所能承受的电压电流和功耗的范围,对于一些器件一定要考虑其所能承受的电压或者电流,例如对于大电流的稳压,不能直接采用稳压管串接电阻的方式,更好的方法是把稳压管接到三极管基极和射级之间,从而三极管上分得绝大部分电流,保证稳压管电流不会过大。
    又一个要考虑工作电压范围的例子就是运放实际上不能达到Vcc或者Vss,而是离它们有一个小电压的距离,所以估算输入信号时要加上这个余量。同时,如果考虑输出线性度的时候,这个余量应该再稍微大一些。
    2 噪声影响:
    1)差动方式
    差动输入方式最大的好处是抑制共模干扰,同时信号强度是非差动方式的两倍。可以说,想要高质量地提取信号,差动方式是首选。但它的缺点是使用的器件比非差动方式要多,成本高一点。
    典型的差动输入级是由三个运放组成的,其特点是输入阻抗高,共模抑制比大,广泛应用在包括生物医学工程和仪表在内的各行各业。三运放形式基础上改进的四运放差动输入级,与前者相比它的特点是只改变一个电阻的阻值就可以调整放大倍数,而不像三运放那样要对称的调整两个电阻,更加方便也易于实现。
    2)防护
    双绞线,不同器件互连的时候,如果使用平行的连接线很容易受到外磁场干扰而引入噪声,使用双绞线互联能有效地抑制这类噪声。
    蛇行线两点接地,实际电路板上,同类性质的电路并不能完全一点接地,如果两点或者多点接地就要考虑由于共地引入的干扰。这里考虑一种情况:假设两部分数字电路A和B,如果两者的接地点直接相连,二者电路中信号的高频分量可以很容易的通过地线而传播到另一部分而形成噪声,这时应该在两个地点间串接一个电感起到抑制高频噪声的作用,而在PCB上实现的形式就是蛇行线连接。
    地线包绕器件和电源线隔离,PCB上电源线和地线应该较粗,且应该尽量包围器件,特别是模拟信号输入端,在电源和地线之间串接上电容,滤除电源上的毛刺,不引入电源线上的干扰。
    由上可见提高精读的努力是全方位的,一方面要尽量提取有用信号,另一方面要从各方面考虑干扰的抑制问题。
    3)电流检测方式
    当传感器和控制器之间连线较长的时候,如果采用电压连接方式,由连线电阻引入的环境干扰很可能淹没有用信号,所以通常采用电流驱动方式。
    4)方便
    例如不需要自带电源的设计,有两个例子:无总机电话和无自带电源的光电隔离电路设计。
    3 成本因素:
    1)利用电感和三极管实现的大电感和电容,以及由此衍生的滤波电路
    2)简单电路一样能实现专用IC地功能,例如用只用单片机而不用A/D转换器就能实现温度测量的电路。
    4 优秀电路都是在对功能电路不断改进得到的,尽管有时候相对基本功能电路很复杂,但只要根据原理和其发展过程就能较好的掌握。

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