电路设计

在看这篇文章之前,先提出几点说明:

(1)最近在看拉扎维的书,写下来这些东西,这也只是我个人在学习过程中的一点总结,有什么观点大家可以相互交流;

(2)不断的思考,不断的理解,不断的总结!希望大家坚持下去!

1、CS单管放大电路

共源级单管放大电路主要用于实现输入小信号的线性放大,即获得较高的电压增益。在直流分析时,根据输入的直流栅电压即可提供电路的静态工作点;而根据 MOSFET的I-V特性曲线可知,MOSFET的静态工作点具有较宽的动态范围,主要表现为MOS管在饱和区的VDS具有较宽的取值范围,小信号放大时,输入的最小电压为VIN-VTH,最大值约为VDD,假设其在饱和区可以完全表现线性特性,并且实现信号的最大限度放大【理想条件下】,则确定的静态工作点约为VDS=(VIN-VTH VDD)/2。

但是,CS电路的实际特性及MOS管所表现出的非线性关系,则限制了小信号的理想放大。这主要表现在以下几个方面:

【1】电路在饱和区所能够确定的增益比较高,但仍然是有限的,也就是说,在对输入信号的可取范围内,确定了电路的增益。电路的非线性以及MOS管的跨导的可变性决定了CS电路对于输入小信号的放大是有限的,主要表现在输入信号的幅度必须很小,这样才能保证放大电路中晶体管的跨导近似看作常数,电路的增益近似确定;

【2】CS电路也反映了模拟CMOS电路放大两个普遍的特点,一是电路的静态工作点将直接影响小信号的放大特性,也就是说CMOS模拟放大电路的直流特性和其交流特性之间有一定的相互影响。

从输入-输出特性所表现的特性曲线可以看出,MOSFET在饱和区的不同点所对应的电路增益不同,这取决于器件的非线性特性,但在足够小的范围内可以将非线性近似线性化,这就表现为在曲线的不同分段近似线性化的过程中电路的增益与电路的静态工作点有直接关系。可以看出,静态工作点的不同将决定了电路的本征增益。

这一点表现在计算中,CS电路的跨导取决于不同的栅压下所产生的静态电流。因此,电路的增益是可选择的,但其增益的可选择性将间接限制了输出电压的摆幅。这些都反映了放大电路增益的选择和电流、功耗、速度等其他因素之间的矛盾。

【3】二是电路的静态工作点将直接影响前一级和后一级的直流特性,因为CS电路实现的放大是针对小信号的放大。但电路的放大特性是基于静态工作点的确定。换句话说,在电路中的中间级CS电路即需要根据前一级的静态输出来确定本级的工作点,这也就导致了前一级对后一级的影响,增加了电路设计的复杂性。

但是,电路设计中的CD电路可以实现直流电平移位特性,交流信号的跟随特性,这也就解决了静态级间的影响,总体来讲,这样简化了设计,但增加了电路的面积。

【4】分析方法:CMOS模拟电路的复杂特性也决定了电路的小信号分析的特殊方法,区别于BJT,第一种方法即直接从大信号的分析入手,MOS管在模拟IC中主要工作在线性区和饱和区,结合MOS管的栅压和漏源电压所确定的不同区域的电流电压关系进而确定电路的大信号工作特性。

而大信号的特性曲线,一方面可以确定电路的静态工作点;另一方面也间接反映了电路的交流特性。因为从大信号到小信号的电路特性分析也就是实现电路的非线性到线性分析,交流特性或者小信号特性是一个微变化量的分析,而大信号特性是全摆幅的分析或者整体的分析。因此,小信号是大信号在工作点附近的一种近似,一种线性化。也就是说,实现大信号到小信号的分析在数学上表现为微分关系。

第二种方法则类似于BIT分析时的小信号等效模型分析,这样从器件级建立信号的等效模型表现在电路级只能提供一种简易的计算方法,不能实现对电路的直观理解。因此,在低频状态下表现为:CS电路能够实现对输入信号的电压放大,其电压增益较高,输入阻抗无穷大,输出阻抗较小。

【5】MOS管构成的二极管等效于一个低阻器件,作为共源级的负载,代替了电阻实现小信号的放大,但是,电路的增益受到了限制。总的来说,利用电阻或者MOS管构成的有源二极管作为负载无法实现高增益的放大特性。

【6】电流源负载的共源级放大电路实现了电压的高增益放大、电路的大输出摆幅,但也在一定程度上带来新的问题,可以看出,高增益源于等效的输出阻抗较大,大输出摆幅可以通过调节静态NMOS和PMOS的最低工作电压实现,但GD的电容效应和较高的输出阻抗导致电路的响应速度下降。在低频工作状态下电路能够实现较好的电压转换,但在高频工作区域,电路的速度受限。

另一方面,电路实现的高增益特性表现在输出端漏源电压的变化幅度较大,这就要求在静态时尽可能使漏端的输出电压保证NMOS和PMOS在临界饱和点处电压和的一半,这样保证其输出的摆幅对称,不会产生失真,这就要求电路在静态时输入的栅电压更稳定,即使得输出漏电压处于临界饱和点处电压和的一半。

【7】理解误区:静态时电路各点工作电压是确定的。例电流源负载的CS电路,放大管工作在饱和区条件下漏源电压具有很大的变化范围,但电路在工作时,其静态电流相等,漏端的电压相等,即可唯一确定漏端的静态输出电压,表现在特性曲线上可理解为放大管的NMOS和负载管的PMOS在输入唯一的情况下具有唯一确定的交点,反映了唯一的漏电压。这样类比的结果,在MOS管构成的复杂电路中是可以确定其各个MOS管在饱和状态下的漏电压的。

【8】CS电路源级负反馈。负反馈的引入使得电路结构发生了根本的变化,表现在无源器件所构成的反馈网络将联系着输入栅压和输出漏压。因此,随着反馈深度的增加,对于输入的信号变化量将主要反映在反馈的电阻上,也就是说输入小信号的变化量将主要体现在反馈的电阻上,这种反馈的作用使得IDS和VGS的非线性关系减弱,近似线性化。同时,电路的等效跨导也将随着反馈的引入有界化。负反馈一方面改变了电路的线性度;另一方面增加了增益的恒定性,但这些性能的改善以牺牲电压增益为前提。

2、CD/CG单管放大电路

源级跟随器在电路中主要用于实现电压的缓冲,电平的移位。主要表现在:电路的电压增益约等于1,这样实现输出近似跟随输入;饱和条件下输出与输入的变化为:输出电压等于输入电压-阈值电压;电路的输入阻抗趋于无穷大,输出阻抗很小,这样电路可以驱动更小的负载,以保持电路在结构上的匹配。

因此,CD电路在大信号中表现为直流电平的移位特性,在小信号中表现为交流信号的跟随特性。而CG电路相对较低的输入阻抗在电路中用于实现匹配特性。

3、Cascode电路

套筒式的共源共栅结构在一定程度上限制了输出的电压摆幅,也就是说电路的最小输出必须保证共源共栅结构的MOSFET工作在饱和条件,即输出的最小电平约为两个过驱动电压之和,但却极大的提高了电路的输出阻抗。共源共栅结构将输入的电压信号转换为电流,而电流又作为CS电路的输入。而折叠式的共源共栅结构在实现电路的放大时表现为较好的低压特性。

4、电路是计算出来的

【1】直流工作点的确定依据其输入的静态电压或静态电流确定,换句话说,电路中各点的静态电压和电流都是可以计算出来的,因为其静态电路各点的IV关系满足基本的电路定理,电路结构的不同所表现的电流、电压表达式是唯一确定的,即电路的静态参数是唯一确定的。

【2】在直流工作点的基础上进行的交流分析也就是对输入小信号的分析,所实现的放大是对叠加在工作点上的小信号进行放大。或者说,直流电平提供了小信号工作的稳态条件,而交流特性则反映了信号的动态变换,即放大特性,这样在直流电平上叠加的交流小信号共同作为输入作用于电路实现信号的放大。

总的来说,电路的交流特性可以通过小信号分析得到,或者通过等效的电路模型简化分析,因此,电路的增益、输入阻抗、输出阻抗都是可以进行计算的。

5、MOSFET小信号模型直观理解

MOSFET在饱和条件下的工作状态可以通过小信号等效电路图进行分析,但小信号等效电路分析也只是提供了一种较为简化的计算方法。电路中的MOS管通过栅源电压的微变化转换为漏源电流的变化,在交流通路中流过相应的负载即可产生交流输出电压,而直流和交流的叠加产生最终的输出电压,产生这一现象的根源在于器件的非线性特性。因此,对于直流通路的分析根据其静态工作电压和电流关系即可得到,而对于交流通路仍然可以建立交流等效电路。

但对于有源器件来讲,其电流和电压的非线性导致器件自身的交直流阻抗分离,这就导致交流通路的某些参数发生变化,这样电路的交流分析应当注意器件阻抗的变化,这正是源于有源器件的非线性导致的交直流阻抗分离。

从MOSFET的小信号等效电路可以看出,栅源电压对于漏源电流的控制起主导作用,也就是说漏源电压和衬底效应对器件工作状态的影响可以忽略。因此可以看出,MOS管的漏源电流受三方面的影响,从栅端口看,栅压对电流的影响gm*vgs,漏源电压对电流的影响gd*vds,衬底的影响gmb*vbs。

那么,从电流的角度来讲,二级效应表现为gm*vgs、gd*vds和gd*vds电流的总和。一般条件下,在电路的初始分析过程中忽略沟道长度调制和体效应的影响,这样简化的MOS模型仅受栅压的影响,因此从源到栅的等效阻抗约为1/gm。简化的电路分析往往因为忽略的次级效应而产生误差,但对于电路的直观理解是很重要的。

6、SPICE模型

晶体管级的连接决定了电路的结构,但电路的性能却取决于具体的参数设置。SPICE模型提供了器件的具体参数化过程,即对电路的仿真分析需要进行参数的设置,即在工艺过程中的所约束的各种参数提供了一个较为完整的器件级的参数模型,例如沟道长度调制系数、寄生的电容、栅氧层的厚度等,这些都是为了将晶体管的参数进行量化,即在器件层次的某些参数也是可以计算出来的!

7、五管差分对【全对称结构】

输入信号是直流和交流的叠加,直流电平用于确定电路的静态工作点,根据IV特性曲线可知,基本差分结构在输入直流电平相等的条件下所表现的线性关系最好,并且其线性范围最大,这样增大了输入交流小信号的动态范围。

但是,直流工作点的选取依赖于基本的电路结构,也具有一定的范围:保证尾电流管处于饱和区,同时不能使得放大管进入线性区,这样就近似确定的输入共模电平的选择范围。静态下的五管差分对,其节点的电流电压是完全可以计算出来的。而电路的对称结构简化了其交流特性的分析,基本的五管差分对可以简化为CS单管放大电路。

全对称的五管差分对也再次体现了CMOS模拟电路的一特点,交直流之间的相互影响。或者说,基本的CS电路的直流电平确定了电路的静态工作点,但直流工作下最大的电平输出也限制了交流小信号的输出电压,即在电路输入确定的条件下限制了其增益,或者在增益确定的条件下限制了输入小信号的摆幅。总之,电路的交直流特性相互影响较大,这一点区别于BIT。

免责声明:整理本文出于传播相关技术知识,版权归原作者所有。

围观 5

LED电源的工程师经常提及“恒流”驱动,其实,在很多电子设备中,有许多用电设备要求供给的电流(而不是电压)保持恒定。一般把这种能够向负载提供恒定电流的电源称为恒流源。所谓恒流,是一种习惯说法,并不是电流值绝对不变,只是这种变化相对的小而已,在一个规定的工作范围内保持足够的稳定性。

经常有人问起,看到LED驱动电源,不知道是恒压源还是恒流源类型的。讲正题之前,先在这里给大家讲一个很实用的区分小技巧:看到一个LED驱动电源,先看电源的名牌参数。看输出电压这个关键参数:若它的电压标称是一个恒定值,则是恒压源。如果是一个范围值,则是恒流源。比如:有一个电源它的输出电压是12V,就确定这个是恒压源,如果它标称的是30~70V呢,那就一个恒流源。

恒流源是LED电路中经常使用的,今天把比较常见的恒流源的基本结构和特点整理一下,奉献给eepw论坛的网友们分享。当然,真正的恒流源电源都用的是这些结构的拓展和变换类型,或者集成IC的形式。

基本的恒流源电路,这里依据主要组成器件的不同,可分为三类:晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源等。

一、 晶体管恒流源

这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性,通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。其基本型电路如图1的A,B两种类型。

图1 晶体管恒流源的两种基本类型

如图1中的A图, R1、R2分压稳定b点电位为Vb,Re形成电流负反馈 ,输出电流IO=(Vb-Vbe)/Re≈Vb / Re (Vb >>Vbe)。B图的计算参考A图。

提示1:

图1中的电路的不足就是晶体管的集射极间电阻一般为几十千欧以上,当只需几伏的工作电压,采用这种恒流源电路 ,其等效内阻是非常大,功耗大,且精度不高。

实际电路中,最常用的简易恒流源如图2所示,用两只同型三极管,利用三极管相对稳定的be电压作为基准,电流数值为:I=Vbe/R1。

图2 晶体管恒流源的改进型

提示2:

图2的这种恒流源优点是简单易行,而且电流的数值可以自由控制,也没有使用特殊的元件,有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子,其be 电压不是一个固定值,即使是相同型号,也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下,这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。

二、场效应管恒流源

由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图3所示

图3 场效应管恒流源

图3A ,R1,R2分压稳定b点电位 , Vb =R2*VCC\(R1+R2),而 Vgs=Vb-Id*RS

Id=Idss( 1- Vgs*Vp)*2

式中Vp表示为夹断电压 ,Idss为饱和漏极电流。也可以去掉电源辅助回路 ,变成一纯两端网络 ,电路如图3 B所示 ,由图可得Vgs =- Id*RS

提示3:

这种恒流源电路的场效应管为JEFT,超低噪声,输出电流有JEFT决定,检测电压与JEFT有关。

三、集成运放恒流源

为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图4所示,如果电流不需要特别精确,其中的场效应管也可以用三极管代替如图4B。

如图4B中,工作时,输入电压Vref与输出电流成比例的检测电压,Vs(Vs=Rs*Iout)相等,

Is=Ib+Iout=Iout(1+1/Hfe)其中1/Hfe为误差。

图4 集成运放恒流源

提示4:

这个电路可以认为是恒流源的标准电路,除了足够的精度和可调性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。

从以上两个电路可以看出,恒流源有个定式,就是利用一个电压基准,在电阻上形成固定电流。有了这个定式,恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个"电压基准"的器件上,最典型的就是利用TL431组成的恒流源电路。

TL431是另外一个常用的电压基准,利用TL431搭建的恒流源如图5所示,其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。

图5 利用TL431搭建的恒流源

电流计算公式为:Iout=Vref/Rs,检测电压根据Vref不同,即1.25V或者是2.5V不同而已。
  
提示5:

这种恒流源电路,使用并联稳压器TL431,简单实用且精度高。

有经验的模拟电路工程师经常会用三端稳压IC做恒流源,使用这些三端稳压电源IC,本身精度已经很高,需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源,也有非常好的性价比,如图5所示的LM317的两种类型。

图6 LM317组成的恒流源电路

电流计算公式为:I=V/R1,其中V是三端稳压的稳压数值。
 
提示6:

这种结构的恒流源,不适合太小的电流,因为这个时候,三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。

总结:

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈,动态调节设备的供电状态,从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流,就可以有效形成反馈,从而建立恒流源。

能够进行电流反馈的器件,还有电流互感器,或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈,也可以利用回路上的发光器件(例如光电耦合器,发光 管等)进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源,而且更适合大电流等特殊场合,不过因为这些实现形式的电路都比较复杂,这里就不一一介绍了。

转自:电子工程师笔记

围观 14

在学习电路设计的时候,不知道你是否有这样的困扰:明明自己学了很多硬件电路理论,也做过了一些基础操作实践,但还是无法设计出自己理想的电路。归根结底,我们缺少的是硬件电路设计的思路,以及项目实战经验。

设计一款硬件电路,要熟悉元器件的基础理论,比如元器件原理、选型及使用,学会绘制原理图,并通过软件完成PCB设计,熟练掌握工具的技巧使用,学会如何优化及调试电路等。要如何完整地设计一套硬件电路设计,下面为大家分享我的几点个人经验:

1)总体思路

设计硬件电路,大的框架和架构要搞清楚,但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好,自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的,那就要搞清楚要实现什么功能,然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果,越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。

2)理解电路

如果你找到了的参考设计,那么恭喜你,你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy?NO,还是先看懂理解了再说,一方面能提高我们的电路理解能力,而且能避免设计中的错误。

3)找到参考设计

在开始做硬件设计前,根据自己的项目需求,可以去找能够满足硬件功能设计的,有很多相关的参考设计。没有找到?也没关系,先确定大IC芯片,找datasheet,看其关键参数是否符合自己的要求,哪些才是自己需要的关键参数,以及能否看懂这些关键参数,都是硬件工程师的能力的体现,这也需要长期地慢慢地积累。这期间,要善于提问,因为自己不懂的东西,别人往往一句话就能点醒你,尤其是硬件设计。

4)硬件电路设计的三个部分:原理图、PCB和物料清单(BOM)表

原理图设计,其实就是将前面的思路转化为电路原理图,它很像我们教科书上的电路图。pcb涉及到实际的电路板,它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁),而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上,然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后,要用到哪些元器件应该有所归纳,所以我们将用到BOM表。

5)选择PCB设计工具

Protel,也就是Altium(现在入门的童鞋大多用AD)容易上手,网上的学习教程资料也很全面,在国内也比较流行,应付一般的工作已经足够,适合初入门的设计者使用。

硬件电路设计的大环节必不可少,主要都要经过以下这几个流程:
1)原理图设计
2)PCB设计
3)制作BOM表

现在再谈一下具体的设计步骤

原理图建立+网表生成

1。 原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上,我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性,并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其IC BODY),周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单,而且因为用的人多,许多元件都能找到现成的库,这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body,ic pins,input pin,output pin,analog pin,digital pin,power pin等区别。

2. 有了充足的库之后,就可以在原理图上画图了,按照datasheet和系统设计的要求,通过wire把相关元件连接起来。在相关的地方添加line和text注释。wire和line的区别在于,前者有电气属性,后者没有。wire适用于连接相同网络,line适用于注释图形。这个时候,应搞清一些基本概念,如:wire,line,bus,part,footprint,等等。

3. 做完这一步,我们就可以生成netlist了,这个netlist是原理图与pcb之间的桥梁。原理图是我们能认知的形式,电脑要将其转化为pcb,就必须将原理图转化它认识的形式netlist,然后再处理、转化为pcb。

4. 得到netlist,马上画pcb?别急,先做ERC先。ERC是电气规则检查的缩写。它能对一些原理图基本的设计错误进行排查,如多个output接在一起等问题。(但是一定要仔细检查自己的原理图,不能过分依赖工具,毕竟工具并不能明白你的系统,它只是纯粹地根据一些基本规则排查。)

5。 从netlist得到了pcb,一堆密密麻麻的元件,和数不清的飞线是不是让你吓了一跳?呵呵,别急还得慢慢来。

6。 确定板框大小。在keepout区(或mechanic区)画个板框,这将限制了你布线的区域。需要根据需求好考虑板长,板宽(有时,还得考虑板厚)。当然了,叠层也得考虑好。(叠层的意思就是,板层有几层,怎么应用,比如板总共4层,顶层走信号,中间第一层铺电源,中间第二层铺地,底层走信号)。

PCB布局布线

先解释一下前面的术语。post-command,例如我们要拷贝一个object(元件),我们要先选中这个object,然后按ctrl+C,然后按ctrl+V(copy命令发生在选中object之后)。这种操作windows和protel都采用的这种方式。但是concept就是另外一种方式,我们叫做pre-command。同样我们要拷贝一个东西,先按ctrl+C,然后再选中object,再在外面单击(copy命令发生在选中object之前)。

1. 确定完板框之后,就该元件布局(摆放)了,布局这步极为关键。它往往决定了后期布线的难易。哪些元器件该摆正面,哪些元件该摆背面,都要有所考量。但是这些都是一个仁者见仁,智者见智的问题;从不同角度考虑摆放位置都可以不一样。其实自己画了原理图,明白所有元件功能,自然对元件摆放有清楚的认识(如果让一个不是画原理图的人来摆放元件,其结果往往会让你大吃一惊。对于初入门的,注意模拟元件,数字元件的隔离,以及机械位置的摆放,同时注意电源的拓扑就可以了。

2. 接下来就是布线。这与布局往往是互动的。有经验的人往往在开始就能看出哪些地方能布线成功。如果有些地方难以布线还需要改动布局。对于fpga设计来说往往还要改动原理图来使布线更加顺畅。布线和布局问题涉及的因素很多,对于高速数字部分,因为牵扯到信号完整性问题而变得复杂,但往往这些问题又是难以定量或即使定量也难以计算的。所以,在信号频率不是很高的情况下,应以布通为第一原则。

3. OK了?别急,用DRC检查检查先,这是一定要检查的。DRC对于布线完成覆盖率以及规则违反的地方都会有所标注,按照这个再一一的排查,修正。

4. 有些pcb还要加上敷铜(可能会导致成本增加),将出线部分做成泪滴(工厂也许会帮你加)。最后的pcb文件转成gerber文件就可交付pcb生产了。(有些直接给pcb也成,工厂会帮你转gerber)。

5. 要装配pcb,准备bom表吧,一般能直接从原理图中导出。但是需要注意的是,原理图中哪些部分元件该上,哪些部分元件不该上,要做到心理有数。对于小批量或研究板而言,用excel自己管理倒也方便(大公司往往要专业软件来管理)。而对于新手而言,第一个版本,不建议直接交给装配工厂或焊接工厂将bom的料全部焊上,这样不便于排查问题。最好的方法就是,根据bom表自己准备好元件。等到板来了之后,一步步上元件、调试。

电路板调试

1. 拿到板第一步做什么,不要急急忙忙供电看功能,硬件调试不可能一步调试完成的。先拿万用表看看关键网络是否有不正常,主要是看电源与地之间有否短路(尽管生产厂商已经帮你做过测试,这一步还是要自己亲自看看,有时候看起来某些步骤挺繁琐,但是可以节约你后面不少时间!),其实短路与否不光pcb有关,在生产制作的任何一个环节可能导致这个问题,IO短路一般不会造成灾难性的后果,但是电源短路就......

2. 电源网络没短路?那么好,那就看看电源输出是否是自己理想的值,对于初学者,调试的时候最好IC一件件芯片上,第一个要上的就是电源芯片。

3. 电源网络短路了?这个比较麻烦,不过要仔细看看自己原理图是否有可能这样的情况,同时结合割线的方法一步步排查倒底是什么地方短路了,是pcb的问题(一般比较烂的pcb厂就可能出现这种情况),还是装配的问题,还是自己设计的问题。关于检查短路还有一些技巧,这在今后登出......

4. 电源芯片没有输出?检查检查你的电源芯片输入是否正常吧,还需要检查的地方有使能信号,分压电阻,反馈网络......

5. 电源芯片输出值不在预料范围?如果超过很离谱,比如到了10%,那么看看分压电阻先,这两个分压电阻一般要用1%的精度,这个你做到了没有,同时看看反馈网络吧,这也会影响你的输出电源的范围。

6. 电源输出正常了,别高兴,如果有条件的话,拿示波器看看吧,看看电源的输出跳变是否正常。也就是抓取开电的瞬间,看看电源从无到有的情况(至于为什么要看着个,嘿嘿......专业人士还是要看的~)

电源设计

无疑电源设计是整个电路板最重要的一环。电源不稳定,其他啥都别谈。我想不用balabala述说它究竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场合是,从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的DC/DC,其中用得最多的电源稳压芯片有两种,一种叫LDO(低压差线性稳压器,我们后面说的线性稳压电源,也是指它),另一种叫PWM(脉宽调制开关电源,我们在本文也称它开关电源)。我们常常听到PWM的效率高,但是LDO的响应快,这是为什么呢?别着急,先让我们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识,但是依然非常浅显易懂,如果你不懂,嘿嘿,得检查一下自己的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理

一套完整的硬件电路设计该怎么做?

如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中,Vo经过两个分压电阻分压得到V+,V+被送入放大器(我们把这个放大器叫做误差放大器)的正端,而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平(这个参考电平是恒定的)。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时,MOSFET的阻抗变大;Va变小时,MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。

现在我们来看Vo是怎么稳定的,假设Vo变小,那么V+将变小,放大器的输出Va也将变小,这将导致MOSFET的阻抗变小,这样经过同样的电流,MOSFET的压差将变小,于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理,Vo变大,V+变大,Va变大,MOSFET的阻抗变大,经过同样的电流,MOSFET的压差变大,于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理

一套完整的硬件电路设计该怎么做?

如上图,为了从高电压Vs得到Vo,开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管,Vg1和Vg2是反相的,Vg1为高,Vg2为低;上MOS管打开时,下MOS管关闭;下MOS管打开时,上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压,电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器,因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器(误差放大器)的负端V+,误差放大器的输出Va做为第二个放大器(PWM放大器)的正端,PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波,经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

误差放大器的正端Vref是一恒定的电压,而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号,一旦Va比三角波大时,Vpwm为高;Va比三角波小时,Vpwm为低,因此Va与三角波的关系,决定了方波信号Vpwm的占空比;Va高,占空比就低,Va低,占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相,Vg2与Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图

一套完整的硬件电路设计该怎么做?

当Vo上升时,V+将上升,Va下降,Vpwm占空比下降,经过们逻辑之后,Vg1的占空比下降,Vg2的占空比上升,Vp占空比下降,这又导致Vo降低,于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后,我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声,较快的瞬态响应,但是效率差;而开关电源噪声较大,瞬态响应较慢,但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单,反馈环路短,因此噪声小,而且瞬态响应快(当输出电压变化时,补偿快)。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上,所以它的效率低。因此,线性稳压一般用在小电流,对电压精度要求高的应用上。

而开关电源,内部结构复杂,影响输出电压噪声性能的因数很多,且其反馈环路长,因此其噪声性能低于线性稳压电源,且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构,MOSFET处于完全开和完全关两种状态,除了驱动MOSFET,和MOSFET自己内阻消耗的能量之外,其他能量被全部用在了输出(理论上L、C是不耗能量的,尽管实际并非如此,但这些消耗的能量很小)。

总而言之,要学好硬件电路设计,首先要弄清楚项目需求,根据功能设计硬件框架,结合参考设计,多借鉴别人的设计成果,复用到自己的硬件项目上面来。

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