類比電路設計聽課心得

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    聽卓國文教授講授類比電路設計基礎已經快兩週了,雖然一共只有短短的二十個學時,仍能深切的感受到卓教授對同學的拳拳心意,希望在這短短的時間裡讓同學儘可能多地學到實際工程中電路設計的關鍵之處,而這些地方不是書本能夠傳達的,是教授多年經驗積累下來的寶貴經驗。每次課間都看到卓教授耐心地給同學講解疑難,甚至連喝水的時間都沒有,這時候總會由衷的感動。現在把聽課的一些收穫和體會記錄下來,為今後的工作做參考。
    實際中的情況遠比課本上學到的功能電路複雜,完成既定功能只是最基本的要求,實際中還要考慮多方面的因素。其中包括多個方面:
    1 器件特性因素:任何器件都有自己的有效範圍,所以設計的產品必須保證其工作環境和工作模式在所有器件的有效範圍內部,否則會發生失效甚至造成嚴重的後果。
    1)頻率因素
    無論是電阻、電容還是電感,隨著頻率的升高,其特性都要發生變化。高頻時電阻值變小,電容和電感在頻率點處特性發生翻轉。如果設計的產品可能工作在高頻的時候,這些基本器件的高頻特性是必須考慮的,例如高頻時電阻值變小所產生的影響。
    2)溫度因素,包括環境溫度和自身散熱
    半導體器件,例如二極體和三極體,受到環境溫度變化的影響非常明顯,如果設計的產品工作環境溫度變化較大,一定要考慮溫度的影響,這時應該在基本功能電路上加以改進,增加溫度補償和校正電路,或者使用溫度穩定性高的器件。
    當器件工作的時候由於功耗的作用要產生熱量使器件溫度升高,這時要作出相應的考慮,例如減小工作電流,降低工作電壓或者增加散熱等。
    3)電壓、電流範圍
    器件都有自己所能承受的電壓電流和功耗的範圍,對於一些器件一定要考慮其所能承受的電壓或者電流,例如對於大電流的穩壓,不能直接採用穩壓管串接電阻的方式,更好的方法是把穩壓管接到三極體基極和射級之間,從而三極體上分得絕大部分電流,保證穩壓管電流不會過大。
    又一個要考慮工作電壓範圍的例子就是運放實際上不能達到Vcc或者Vss,而是離它們有一個小電壓的距離,所以估算輸入訊號時要加上這個餘量。同時,如果考慮輸出線性度的時候,這個餘量應該再稍微大一些。
    2 噪聲影響:
    1)差動方式
    差動輸入方式最大的好處是抑制共模干擾,同時訊號強度是非差動方式的兩倍。可以說,想要高質量地提取訊號,差動方式是首選。但它的缺點是使用的器件比非差動方式要多,成本高一點。
    典型的差動輸入級是由三個運放組成的,其特點是輸入阻抗高,共模抑制比大,廣泛應用在包括生物醫學工程和儀表在內的各行各業。三運放形式基礎上改進的四運放差動輸入級,與前者相比它的特點是隻改變一個電阻的阻值就可以調整放大倍數,而不像三運放那樣要對稱的調整兩個電阻,更加方便也易於實現。
    2)防護
    雙絞線,不同器件互連的時候,如果使用平行的連線線很容易受到外磁場干擾而引入噪聲,使用雙絞線互聯能有效地抑制這類噪聲。
    蛇行線兩點接地,實際電路板上,同類性質的電路並不能完全一點接地,如果兩點或者多點接地就要考慮由於共地引入的干擾。這裡考慮一種情況:假設兩部分數位電路A和B,如果兩者的接地點直接相連,二者電路中訊號的高頻分量可以很容易的通過地線而傳播到另一部分而形成噪聲,這時應該在兩個地點間串接一個電感起到抑制高頻噪聲的作用,而在PCB上實現的形式就是蛇行線連線。
    地線包繞器件和電源線隔離,PCB上電源線和地線應該較粗,且應該儘量包圍器件,特別是模擬訊號輸入端,在電源和地線之間串接上電容,濾除電源上的毛刺,不引入電源線上的干擾。
    由上可見提高精讀的努力是全方位的,一方面要儘量提取有用訊號,另一方面要從各方面考慮干擾的抑制問題。
    3)電流檢測方式
    當感測器和控制器之間連線較長的時候,如果採用電壓連線方式,由連線電阻引入的環境干擾很可能淹沒有用訊號,所以通常採用電流驅動方式。
    4)方便
    例如不需要自帶電源的設計,有兩個例子:無總機電話和無自帶電源的光電隔離電路設計。
    3 成本因素:
    1)利用電感和三極體實現的大電感和電容,以及由此衍生的濾波電路
    2)簡單電路一樣能實現專用IC地功能,例如用只用微控制器而不用A/D轉換器就能實現溫度測量的電路。
    4 優秀電路都是在對功能電路不斷改進得到的,儘管有時候相對基本功能電路很複雜,但只要根據原理和其發展過程就能較好的掌握。

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