电子工程师应具备的电路设计常识及几十个经典电路解析

1、第 1 页共 44 页 电子工程师应具备的电路设计常识及几十个经典电路解析 一、接地技术 计接地技术 1、 接地设计的基本原理 好的接地系统是抑制电磁干扰的一种技术措施，其电路和设备地线任意两点之间的电压与线路中的任何功能部分相比较，都可以忽略不计；差的接地系统，可以通过地线产生寄生电压和电流偶合进电路，地线或接地平面总有一定的阻抗，该公共阻抗使两两接地点间形成一定的压降，引起接地干扰，使系统的功能受到影响。从而影响产品的可靠性。 2、 接地目的 接地的目的主要有三个： 接地使整个电路系统中所有单元电路都有一个公共的参考零电位， 保证电路系统能稳定地工作。 防止外界电磁场的干扰。 机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。 保证安全作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。 3、 接地分类 防雷接地(防雷接地是将可能受到雷击的物体与大地

2、相连。当物体位置较高，距离雷云较近时，一定要将物体进行防雷接地。由于雷电的放电电流是脉冲性的，放电电流也较大，所以防雷接地时的接地电阻要小。为了避免由于雷击而造成机房里设备之间的高压差，特别是有电气连接或距离较近的设备之间要采用低电感和电阻搭接。 接地电阻：接地电阻不是普通的电阻而是一个阻值，是指电流由接地装置流向大地再由大地流向无穷远处或是另一个接地装置所需克服的总电阻。 接地电阻包括接地线、接地装置本身电阻、接地装置与大地之间的接触电阻和两接地装置之间的大地电阻或接地装置与无线远处的大地电阻。接地电阻越小，当有漏电流或是雷电电流时，可以将其导入大地，不至于伤害人或损坏设备。如果接地电阻变大，会造成应该导入大地的电流导不下去，因此，接地电阻越小越安全。 保护接地（E/为了保护设备、装置和人身的安全。保护接地主要用于保护工频故障电压对人身造成的伤害。保护接地的工作原理：一是并联分流，当人体接触故障设备时，如果故障设备有保护接地，这时人体和保护接地线呈并联关系，保护接地线的电阻和人体相比是很小的，所以流过人体的电流很小，就会保护人身安全；二是当设备发生碰壳事件后，由于设备有保护接地，事故

3、电流会使相线上得保护装置动作，从而切断电源，起到保障安全的作用。 相线：通常工业用电，三根正弦交流电。电流相位 （反映电流的方向 大小 ）相互相差第 2 页共 44 页 120 度。 通常我们将每一根这样的导线称为相线。一般家庭使用的电源线是两根导线组成的，其中一根叫相线（俗称火线） ，一根叫零线（即中性线） 。相线就是我们通常说的火线。 工作接地 工作接地是给系统工作提供等电位的参考电压， 给信号提供一个低阻抗的回路。信号质量的好坏很大程度上取决于接地线质量的好换，由于各种原因，接地线总会存在一定的阻抗，从而带来一定的电压差，形成地纹波，对信号质量产生影响：信号越弱、信号频率越高则影响会越大。因此，在设计中要最大限度的降低工作接地导体的电阻。工作接地分为以下类别： 信号地 信号地是各种传感器和信号源零电位的公共基准地线。 由于信号一般都比较弱，因此易受干扰，设计要求较高。 模拟地(模拟地是模拟电路零电位的公共参考点。由于模拟电路既有小信号放大，大信号功率放大，有低频放大，也有高频放大，因此易受干扰，所以 计模拟地时要注意。 数字地(数字地是数字电路零电位的公共参考点。数字电路时脉冲信

4、号，在上升或下降沿比较陡或是频率高时，易对模拟电路造成影响。 电源地(电源地是电源零电位的公共参考点。电源要给各个单元电路供电，所以要考虑电源的稳定性。 功率地 功率地是负载或功率驱动电路上的零电位公共参考点。由于功率电路较强，电压较高，因此，功率地上干扰较大，应该与其他地线分开设置。 屏蔽接地 屏蔽接地与机构有关，并不需要与大地真正的连接。屏蔽结构接地是为了安全方面的考虑。例如：防静电时，当完整的金属屏蔽体将带正电的导体包围起来，屏蔽体内侧将感应处负电荷，外侧出现于导体等量的正电荷。形成静电场，如果将金属屏蔽体接地，则金属屏蔽体外部的正电荷会流入大地，不会有电场存在。当人体触摸时也不会触电。 4、 接地方式 浮动地 对于电子产品而言， 浮动地是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体相绝缘，即设备浮动地，如图 1 所示；另一种情况是在有些电子产品中，为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路，有意将信号地与机箱绝缘，即单元电路浮动地 优点：电路与外部的地系统有良好的隔离，不易受外部地系统上干扰的影响 缺点：电路上易积累静电从而产生静电干扰，有可能产生危险电压 第 3 页共 44 页 单

5、点接地 接地点只有一个的连接方式。在频率低于 1，较适于单点接地，主要可以克服地环路因素造成系统的相互干扰。按照接地点的不同，单点接地可以分为并联单点接地和串联单点接地两种形式。 并联单点接地 接地点只有一个，是将需要接地的各部分，分别以接地导线直接连到电位基准点（一般是直流电源的负极或零伏点） ；或者用树枝状的多点放射式。如图 2 所示。因为这样仅有很少的公共信号返回导体，能有效地避免公共阻抗和接地闭合回路造成的干扰。缺点是接地线又长又多，经济性差，而且限制了装置的工作速度或频率。 并联单点接地主要应用于机框内各种汇流条的汇接。 串联单点接地 接地点只有一个，是以一截面积足够大的导体作为接地母线，直接接到电位基准点。如图 3 所示。需要接地的各部分就近接到该母线上，由于接地母线阻抗很小，故能够把公共干扰减弱到允许的程度。布局时，应把功率回路的接地点安排在靠近电源的地方， 而把小电流回路的接地点安排在远离电源的地方。 串联单点接地主要应用于机框内各单板参考地到汇流条的连接 第 4 页共 44 页 多点接地 接地点多于一个的连接方式。如图 4 所示。在高频( f 10况下，由于接地线的长

6、度过长， 引线电感和分布电容的影响不能忽略， 为降低接地阻抗、消除分布电容的影响而平面式多点接地，即利用一导电平面（如底板或多层印制电路板的导电平面层等）作为基准地，需要接地的各部分就近接到该基准地上。由于导电平面的高频阻抗很低，所以各处的基准电位比较接近。为进一步减少接地回路的压降，可用旁路电容等办法减少返回电流的幅值及前沿陡度。 多点接地方式主要应用于高频信号到参考平面的连接。 复合接地 单点接地和多点接地同时作用的连接方式。如图 5 所示。既包含了单点接地地特性，也包含了多点接地地特性。主要应用于 1 | 其中， 只要掌握这个原则，熟悉各类器件的输入输出特性，可以很自然地找到合理方案，如前面的方案 (3)(4)都是正确利用器件输入特性的例子。 (2) 电源次序 多电源系统必须注意的问题。某些器件不允许输入电平超过电源，如果没有电源时就加上输入，很可能损坏芯片。这种场合性能最好的办法可能就是方案 (5) 164245。如果速度允许，方案 (1)(7)也可以考虑。 (3) 速度 /频率 某些转换方式影响工作速度，所以必须注意。像方案 (1)(2)(6)(7)，由于电阻的存在，通过电阻

7、给负载电容充电，必然会影响信号跳沿速度。为了提高速度，就必须减小电阻，这又会造成功耗上升。这种场合方案 (3)(4)是比较理想的。 (4) 输出驱动能力 如果需要一定的电流驱动能力，方案 (1)(2)(6)(7)就都成问题了。这一条跟上一条其实是一致的，因为速度问题的关键就是对负载电容的充电能力。 (5) 路数 某些方案元器件较多，或者布线不方便，路数多了就成问题了。例如总线地址和数据的第 31 页共 44 页 转换，显然应该用方案 (3)(4)，采用总线缓冲器芯片 (245,541,16245.)，或者用方案 (5)。 如果只有一两个信号要转换，弄个 16245 固然罗嗦，就是 74类的 芯片，也嫌大了，这是可以考虑 单 /双门逻辑系列，如 7474化布线。 常用的电平转换方案 (1) 晶体管 +上拉电阻法 就是一个双极型三极管或 C/D 极接一个上拉电阻到正电源，输入电平很灵活，输出电平大致就是正电源电平。 (2) D 器件 +上拉电阻法 跟 1) 类似。适用于器件输出刚好为 D 的场合。 (3) 74列芯片升压 (5V) 凡是输入与 5V 平兼容的 5V 件都可以用作 5V 电平

8、转换。 这是由于 电平刚好和 5V 平兼容（巧合） ，而 输出电平总是接近电源电平的。 廉价的选择如 74.) 系列 (那个字母 T 就表示 容 )。 (4) 超限输入降压法 (5V .) 凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件，都可以用作降低电平。 这里的“超限”是指超过电源，许多较古老的器件都不允许输入电压超过电源，但越来越多的新器件取消了这个限制 (改变了输入级保护电路 )。 例如， 74列芯片，其 确注明“输入电压范围为 0，如果采用 电，就可以实现 5V 平转换。 (5) 专用电平转换芯片 最著名的就是 164245，不仅可以用作升压 /降压，而且允许两边电源不同步。这是最通用的电平转换方案，但是也是很昂贵的 (俺前不久买还是￥ 45/片，虽是零售，也贵的吓人 )，因此若非必要，最好用前两个方案。 (6) 电阻分压法 最简单的降低电平的方法。 5V 电平，经 阻分压，就是 (7) 限流电阻法 如果嫌上面的两个电阻太多，有时还可以只串联一个限流电阻。某些芯片虽然原则上不允许输入电平超过电源， 但只要串联一个限流电阻， 保证输入保护电流不超过极限 (如 74列为 20仍然是安全的。 (8) 无为而无不为法 只要掌握了电平兼容的规律。某些场合，根本就不需要特别的转换。例如，电路中用到了某种 5V 逻辑器件，其输入是 平，只要在选择器件时选择输入为 容的，就不需要任何转换，这相当于隐含适用了方法 3) 下图为使用 164245 作为电平转换的示意图。 第 32 页共 44 页 4、掉电数据保存电路： （ 1） 、使用 擦写次数限制，容量相对较小，功耗低。 第 33 页共 44 页 （ 2） 、使用 擦写次数限制，每次按块操作，涉及区域大，但容量很大，功耗大。 （ 3） 、使用 电 ) 容量相对较大，功耗机低，几乎无擦写次数限制。 铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。 的特点是速度快，能够像一样操作，读写功耗极低，不存在如

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