【正文】 將講述設計中一些重要器件的應用特性及其選擇原因。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的。把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。 圖 (2) 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1) 穩(wěn)定電壓 Uz Uz就是 PN 結的擊穿電壓，它隨工作電流和溫度的不同而略有變化。 3) 動態(tài)電阻 rz 它是穩(wěn)壓管兩端電壓變化與電流變化的比值，如上圖所示，即這個數(shù)值隨工作電流的不同而改變。穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓值應與應用電路的基準電壓值相同，穩(wěn)壓二極管的最大穩(wěn)定電流應高于應用電路的最大負載電流 50%左右。變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 按鐵芯或線圈結構分類：芯式變壓器（插片鐵芯、 C 型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、殼式變壓器（插片鐵芯、 C 型鐵芯、鐵氧體鐵芯）、環(huán)型變壓器、 金屬箔變壓器。 2) 額定功率 在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。 (1) 場效應管的 特點 具有輸 入電阻高（ 100MΩ～ 1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挕岱€(wěn)定性好等優(yōu)點 ,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者 。 (3) 場效應管的分類 場效應管分結型、 絕緣柵型 (MOS)兩大類 ； 按溝道材料 ： 結型和絕緣柵型各分 N 溝道和 P 溝道兩種 ； 按導電方式 ： 耗盡型與增強型 ,結型場效應管均為耗盡型 ， 絕緣柵型場效應管既有耗盡型的 ， 也有增強型的。 N 溝道場效應管和 NPN 三極管類似，工作條件是在柵極加正向極性控制電壓，在漏極加正極性電源電壓，改變柵極電壓就可以改變漏極與源極之間的電流大小。不同于增強型場效應管的是 它 在制造時 ，就在二氧化硅絕緣層中加入大量正離子，因正離子的作用， 柵－源極間電壓 vGS=0 時，耗盡型 MOS 管中的漏－源極間已有導電溝道產(chǎn)生，而增強型 MOS管要在 vGS≥ VT 時才出現(xiàn)導電溝道。采用這種組合方式制成的器件稱為光電耦合器。與變壓器相比，工作頻率范圍寬，耦合電容小，輸入輸出之間絕緣電阻高，并能實現(xiàn)信號的單方向傳遞。 系統(tǒng) 總體 的設計 9 線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。 (2)光耦的作用 由于光耦 種類繁多，結構獨特，優(yōu)點突出，因而其應用十分廣泛，主要應用以下場合： 1) 在邏輯電路上的應用 光電耦合器可以構成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構成的邏輯電路更可靠。 5) 在線性電路上的應用 線性光電耦合器應用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。 四運放集成電路 LM324 (1) LM324 的基本結構 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙 列直插塑料封裝，外形如圖 。LM324 的引腳排列見圖 。電路無需調(diào)試。按圖中所給數(shù)值， Av=10。 系統(tǒng) 總體 的設計 11 圖 2) 同相交流放大器 電路見圖 。 R4 的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。因運放 Ai 輸入電阻高，運放 A1A4 均把輸出端直接接到負輸入端，信號輸入至正輸入端，相當于同相放大狀態(tài)時 Rf=0 的情況，故各放大器電 壓放大倍數(shù)均為 1 ，與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。 這種有源帶通 濾波器的中心頻率 ，在中心頻率 fo 處的電壓增益Ao=B3/2B1，品質(zhì)因數(shù) ， 3dB 帶寬 B=1/（ п*R3*C）也可根據(jù)設計確定的 Q、 fo、Ao 值，去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。 此電路亦可使用單電源，只需將運放正輸入端偏置在 1/2V+并將電阻 R2 下端接到運放正輸入端既可。 附圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻 R R1ˊ 組成分壓電路，為運放 A1 設定比較電平 U1；電阻 R R2ˊ 組成分壓電路，為運放 A2系統(tǒng) 總體 的設計 13 設定比較電平 U2。 若選擇 U2 U1，則當輸入電壓在 [U2， U1]區(qū)間范圍時， LED 點亮，這是一個 “窗口 ”電壓指示器。電阻 R R2 組成分壓電路，為運放 A1 負輸入端提供偏置電壓 U1，作為比較電壓基準。顯然，提高U1 或增大 R C1 的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，反之則縮 短。 14 圖 圖 本次 電路設計中，該集成電路主要用于電壓比較器。該器件的典型動態(tài)阻抗為 ，在很多應用中用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關電源等。 由圖 ， VI是一個內(nèi)部的 ，接在運放的反相輸入端。 圖 (2)恒壓電路應用 前面提到 TL431的內(nèi)部含有一個 ，所以當在 REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證 TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于 1 mA 。本章將講述該設計的具體實現(xiàn)方案。 電源電路的設計 圖 電源電路 由圖 可知， 電源電路是由橋式整流及濾波電路組成。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或與負載串聯(lián)電感器 L，以及由電感、電容組合而成的各種復式濾波電路。根據(jù)圖 （ a）的電路圖可知： 當正半周時，二極管 D D3 導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。 2) 參數(shù)計算 根據(jù)圖 （ b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。 圖 單相橋式整流電路的 負載特性曲線 (2) 單相半波整流電路 單相整流電路除橋式整流電路外還有有單相半波和單相全波兩種形式。 (a)電路圖 (b)波形圖 圖 單相全波整流電路 根據(jù)圖 （ b）可知，全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應用于直流電源之中。為了獲得平滑的直流電壓，可采用濾波電路，濾除脈動直流典雅中的交流部分，濾波電路常由電容和電感組成。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。此時 C 相當于并聯(lián)在 v2 上，所以輸出波形同 v2 ，是正弦波。在剛過 時，正弦曲線下降的速率很慢。電容濾波過程見圖 。反之，當 Ｒ L 很大，即 IL 很小時，盡管 C 較小 , RLC 仍很大 ,電容濾波的 效果也很好，見濾波曲線中的 3。工程上有詳細的曲線可供查閱，一般常采用以下近似估算法： 一種是用鋸齒波近似表示，即 另一種是在 RLC=（ ）的條件下，近似認為 VO=。 (2) 濾波電路 利用儲能元件電感器 Ｌ 的電流不能突變的性質(zhì)，把電感 Ｌ 與整流電路的負載Ｒ L 相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。當負半周時，電感中的電流將更換經(jīng)由 D D4 提供。而本次設計恰是將整流橋送出的脈動直流311V 經(jīng)電容濾波轉換成近似直流 311V，故選用電容濾波電路。以后，將周而復始的這樣繼續(xù)運行第二個、第三個???相同的振蕩周期。 本設計所選用的變壓器的繞組方式分為三種類型， 一組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負載繞組。 振蕩電路的 分類 常見的振蕩電路 為 變壓器 反饋式振蕩電路和三點式振蕩電路。 保護電路的 設計 本次設計保護電路部分輸出回路用于監(jiān)測輸出電流，并為 U2C 提供供電電壓， U2C 通過比較運算控制光電耦合器 PC817 的導通 與 截止 ， 從而起到過流保護的作用。 當因某種原因使場效應管 Q1 的漏極電流增大并即 將達到極限時，其源極電流勢必也增大（漏、源電流是相等的），則 R1 上的電壓增大，如果到達 時，則三極管 Q2 飽和導通，實現(xiàn)限制了 Q1 柵極電位，使 Q1 進入關斷狀態(tài)，從而有效保護了相關元件的安全，提高了整機電路得可靠性。如果電流過大， R12 上的電壓超過D14 的正向?qū)妷簳r ,D14 導通，從而保護 R12 不被燒壞。由于需要穩(wěn)定的輸出電壓，所以該穩(wěn)壓源提供的是一基準電壓。 U2C和 U2D 為 LM324 內(nèi)含兩個完全獨立的運算放大器，僅供用電源。 充電狀態(tài) 指示電路的設計 該電路主要是 由 LM324 和雙色發(fā)光管 LED2 構成 。 反向輸入端電位低于正向輸入端電位 ,輸出端 輸出高電平 ,充電指示燈 LED2 點亮 。 圖 整體電路圖 如圖 的左半部所示，當插座 JP1 接上 220V 交流電，且 JP2 與電瓶蓄電池相連接時，有兩種狀態(tài)，一是充電過程，二是充電結束。 LED1 導通，一直發(fā)出紅光。由于 VEE 電壓在不斷變化，因此輸入比較器負端的電壓也發(fā)生變化。在 32 整個充電過程，發(fā)光二極管 LED2 處于閃爍狀態(tài)。對于比較器 U2DLM324，正極輸入電壓此時一直大于負極輸入電壓輸出為高，而 U2CLM324 也輸出高電平，光耦合器 U1PC817 一直有輸入電壓，因此 Q2 一直處于工作狀態(tài)， 300V 電壓直接經(jīng)過 R3 流入地。由于變壓器不能直接購買到與電路符合要求的，需自己改繞，所以變壓器有可能造成輸出電壓和電流與理論設計上的不符合。 （ 3）對于變壓器來說，由于是自己纏繞，可能造成與理論上設計的變壓器產(chǎn)生誤差，影響了充電電流和對外直流輸出電壓。在指導老師的指點下，通過各種渠道開始準備工作，通過網(wǎng)絡、圖書館搜集相關學術論文、核心期刊、書籍等。 一篇優(yōu)秀的論文不是寫出來的，而是修改出來的，這需要的是耐心，還要用心。在工作中要學會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可 以事倍功半。 總結與展望 35 致 謝 在論文完成之際，我首先向關心幫助和指導我的 指導老 師 張金美老師 表示衷心的感謝并致以崇高的敬意！ 在論文工作中， 遇到了 許多麻煩。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學表示由衷的感謝 ! 特別感謝我的 同事郭磊和張元松實習期間給予我的幫助 ，以及 同學 對我的學習和生 活所提供的大力支持和關心 ! 在我即將完成學業(yè)之際，我深深地感謝我的家人給予我的全力支持！ 最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授 ! 附 錄 36 參考文獻 .《中國集成電路大全》 [M].國防工業(yè)出版社 , .《 青少年數(shù)字電路制作指南 》 [M].福建 :科學技術出版社 ,1995 .《 電子元器件應用手冊 》 [M].人民郵電出版社 , .《 模擬電子技術基礎 》 [M].機械工業(yè)出版社 ,20xx .8 .《 全國大學生電子設計競賽系列叢書 》 [M]. 北京 :航空航天大學出版社 , 20xx227 .《 模擬集成電路設計精粹 》 [M]. 清華大學出版社 , 20xx 年 3 月 ,唐軍 ,曲健 .《 模擬電路分析與設計基礎學習指導 》 [M].科學出版社 , 20xx年 5 月 .《 現(xiàn)代集成電路實用手冊 通用模擬電路分冊 》 [M]科學技術文獻出版社 ,20xx 年 2 月 .《 電路設計與制版 — Protel99 入門與提高 》 [M]人民郵電出版社 20xx年 2 月 《電子技術基礎 —— 模擬部分》 [M]高等教育出版社 20xx 年 1 月