电子设计大赛模拟电子技术部分

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电子设计大赛培训,模拟电子技术,201,3,年,8,月,3,-,4,日,1,一、关于竞赛,每年的竞赛试题都有很多相似的地方，,控制类的如简单的工业控制、小车；,传统题目如数据调理、数据采集，无线传输系统；,电源设计；,简单仪器、仪表设计（每年必要一题)如2005年的简易频谱分析仪，2003年的简易逻辑分析器。,建议为了夺奖的朋友专注自己的强项。,2,以电子技术（包括模拟低频、高频和数字电路）应用设计为主要内容。,可以涉及单片机、可编程逻辑器件、EDA软件工具和PC机（主要用于开发）的应用。,题目包括“理论设计”和“实际制作与调试”两部分。,竞赛题目应具有实际意义和应用背景，并考虑到目前教学基本内容和新技术应用趋势。,竞赛题目应能测试学生运用基础知识的能力、实际设计能力和独立工作能力。,3,题目原则上应包括基本要求部分和发挥部分，从而使绝大多数参赛学生能在规定时间内完成基本要求部分的设计工作，又能便一部分优秀学生有发挥与创新的余地。,评分标准：评分标准按设计报告、实际制作两部分提出具体评分细则，实际制作又分基本要求和发挥部分。总分一般是150分，其中设计报告占50分，基本要求占50分和发挥部分占50分。,4,二、关于团队,一个能在全国大学生电子竞赛中得奖的团队必须具备这么几个特征:,1、绝对喜欢电子开发。,2、在软件、硬件、论文写作中各有所长。你想想3个只会C语言的家伙合一起能干什么。,选好团队后就要确定团队核心人物。大家一定都能想得到，一旦进入备战阶段，组员间的探讨是必然的，各抒己见固然好，但往往也比较容易起争执。这时如果有个核心人物，他的话在非常时期大家必须绝对服从，他说了算。,要想获得成功，就必须认清自己团队的优势，充分调用组员中的优势资源，比如：某个组员在编程方面有优势，那么就应该合理分配编程工作给他，这样大家分工也就相对明确了，也都能充分发挥自己的所长，将团对协作的力量发挥到最大。,5,一个获得一等奖的团队，必然有文笔不错善于表达的人物。一个团队的设计理念和思想需要通过他公布于众，让评委团了解和认同你们的观点，论文的书写也是考察写作基本功的关键要素。,切记现在不是酒香不怕巷子深的年代了，因为可以选择的对象太多，要学会主动出击。所以说一个好的团队是成功的一半！,6,三、怎样备战,1、身体是革命的本钱,这也是很容易忽略的一点。4天3夜是个什么概念，我想大家都要清楚点。既然下定决心参赛，就要调理好身体，以最佳的状态来迎接挑战。,否则，千载难逢的机会就可能擦肩而过，留下的就将会是遗憾。,7,2、要有良好的心态,竞赛不仅仅是技能的竞争，更是良好心态的比拼。,比赛期间，肯定都会遇到这样那样的问题，如果没有善始善终，持之以恒的决心，三天打鱼，两天晒网，是走不到最后的。,要切切实实按照制定好的进程走，该做哪项任务，就要尽量克服一切困难做完，该今天做的，就不能留到明天。,具备以上条件后，你还应该做的就是自信了。,8,3、了解你正在做的事,竞赛采用“半封闭、相对集中”的组织方式进行。竞赛期间学生可以查阅有关文献资料，队内学生集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、团结协作，以队为基本单位独立完成竞赛任务；,竞赛期间不允许任何教师或其他人员进行任何形式的指导或引导；,竞赛期间参赛队员不得与队外任何人员讨论商量。参赛学校应将参赛学生相对集中在一个或几个实验室内进行竞赛，便于组织人员巡查。,为保证竞赛工作，竞赛所需设备、元器件等均由各参赛学校负责提供。,9,四、关于题型,全国大学生电子设计竞赛从1994年的首届试点到如今电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成7类，即：,（1）,电源类：,简易数控直流电源，直流稳压电源,（2）,信号源类：,实用信号源的设计和制作，波形发生器，电压控制LC振荡器（A题）；,（3）,高频无线电类：,简易无线电遥控系统，调幅广播收音机，短波调频接收机，调频收音机，,（4）,放大器类：,实用低频功率放大器，高效率音频功率放大器，宽带放大器（B题),（5）,仪器仪表类：,简易电阻、电容和电感测试仪，简易数字频率计，频率特性测试仪，数字式工频有效值多用表，简易数字存储示波器，低频数字式相位测量仪（C题，简易逻辑分析仪（D题，,（6）,数据采集与处理类：,多路数据采集系统，数字化语音存储与回放系统，数据采集与传输系统。,（7）,控制类：,水温控制系统，自动往返电动小汽车，简易智能电动车（E题，液体点滴速度监控装置（F题),10,五、单元电路之放大器设计,放大器是电子线路系统最基本、也是最重要的单元。它的种类繁多。,按,使用频段,分：直流放大器、低频放大器、中频放大器、高频放大器和微波放大器。,按,功率大小,分：小信号放大器、功率放大器、大功率放大器和超大功率放大器。,按,导通角,分：甲类放大器、甲乙类放大器、乙类放大器、丙类放大器、丁类放大器和戊类放大器。,按,频带宽窄,分：选频放大器、窄带放大器、宽带放大器。,按,集成度,分：分立元件组成的放大器和集成放大器。,按,有无反馈,分：开环放大器、闭环放大器（有四种组态），等等。,在工程设计和电子设计竞赛中应根据不同的要求和用途选择放大器的类型。,11,功率放大器的主要技术指标,输入阻抗和输出阻抗；,集电极效率；,输出功率；,频带宽度；,失真度；,放大器的效率。,12,一、功率放大电路基础,例：,扩音系统,执行机构,功率放大器的作用：,用作放大电路的,输出级,，以,驱动,执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。,功率放大,电压放大,信号提取,13,分析功放电路应注意的问题,(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:,I,CM,、,U,CEM,、,P,CM,。,I,CM,P,CM,U,CEM,I,c,u,ce,14,(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（,）。,P,omax,:,负载上得到的交流信号功率。,P,E,： 电源提供的直流功率。,15,不合适，因为效率太低 。,u,o,t,u,o,射极输出器输出电阻低，带负载,能力强，可以用做功率放大器吗,？,问题讨论:,i,b,R,b,u,o,U,SC,u,i,R,E,估算射极输出器的效率 ：,Q,i,c,u,ce,U,SC,(设,R,L,=,R,E,),16,为使输出信号的幅值尽可能大(要保证不失真)，静态工作点（,Q,）设置较高（靠近负载线的中部）。,若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号,u,o,的峰值最大只能为：,u,o,的取值范围,Q,I,c,u,CE,U,SC,直流负载线,交流负载线,U,CEQ,= 0.5,U,SC,静态工作点：,17,放大电路的输出没有失真的工作方式称为,甲类放大,。,1. 直流电源输出的功率,2. 最大负载功率,3. 最大效率,(,R,L,=,R,E,时),18,如何解决效率低的问题？,办法：,降低Q点。,既降低Q点又不会引起截止失真的办法：,采用,推挽输出电路，,或,互补对称射极输出器。,缺点：,但又会引起截止失真。,19,1、乙类互补对称功率放大电路,互补对称功放的类型,无输出变压器形式,（ OTL电路）,无输出电容形式,（ OCL电路）,OTL: Output TransformerLess,OCL: Output CapacitorLess,互补对称：,电路中采用两支晶体管，NPN、,PNP各一支；两管特性一致。,类型：,20,无输出电容的互补对称功放电路,一、工作原理（设,u,i,为正弦波）,电路的结构特点：,u,i,-,U,SC,T,1,T,2,u,o,+,U,SC,R,L,i,L,1. 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。,2. 双电源供电。,3. 输入输出端不加隔直电容。,21,i,c,1,i,c,2,动态分析：,u,i,0V,T,1,截止，,T,2,导通,u,i, 0V,T,1,导通，,T,2,截止,i,L,=,i,c,1,;,u,i,-,U,SC,T,1,T,2,u,o,+,U,SC,R,L,i,L,i,L,=,i,c,2,T,1,、,T,2,两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为,乙类放大,。,因此，不需要隔直电容。,静态分析：,u,i,= 0V,T,1,、,T,2,均不工作,u,o,= 0V,22,二、最大输出功率及效率的计算,假设,u,i,为正弦波且幅度足够大，,T,1,、,T,2,导通时均能饱和，此时输出达到最大值。,U,L,max,负载上得到的最大功率为：,i,L,-,U,SC,R,L,u,i,T,1,T,2,U,L,+,U,SC,若忽略晶体管的饱和压降，,则负载（,R,L,)上的电压和电流的最大幅值分别为：,23,电源提供的直流平均功率计算：,每个电源中的电流为半个正弦波，其平均值为:,两个电源提供的总功率为：,U,SC,1,=,U,SC,2,=,U,SC,t,i,c,1,24,理论最高效率为：,25,考虑功放管的饱和压降U,ces,后:,电源提供的直流平均功率计算：,负载（,R,L,)上的电压和电流的最大幅值分别为：,26,实际效率为：,27,无输出变压器的互补对称功放电路,一、特点,1. 单电源供电；,2. 输出加有大电容。,二、静态分析,则,T,1,、,T,2,特性对称，,令：,0.,5U,SC,R,L,u,i,T,1,T,2,+,U,SC,C,A,U,L,+,-,U,C,28,三、动态分析,设输入端在 0.5,U,SC,直流电平,基础上加入正弦信号。,若输出电容足够大，,U,C,基本保持在0.5,U,SC,，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。,i,c,1,i,c,2,交越失真,R,L,u,i,T,1,T,2,+,U,SC,C,A,U,L,+,-,时，,T,1,导通、,T,2,截止；,时，,T,1,截止、,T,2,导通。,0.5,U,SC,u,i,t,29,四、输出功率及效率,若忽略交越失真的影响，且,u,i,幅度足够大。则：,u,L,U,Lmax,u,i,t,t,30,考虑功放管的饱和压降U,ces,后:,电源提供的直流平均功率计算：,负载（,R,L,)上的电压和电流的最大幅值分别为：,31,实际效率为：,L,ces,SC,SC,E,E,E,R,U,U,U,P,P,P,p,-,=,+,=,2,2,2,2,1,32,乙类放大器产生交越失真的原理,:,u,i,-,U,SC,T,1,T,2,u,o,+,U,SC,R,L,i,L,交越失真,死区电压,u,i,u,o,u,o,u,o,t,t,t,t,交越失真：,输入信号,u,i,在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。,33,2、甲乙类 准互补对称功率放大电路,交越失真产生的原因：,在于晶体管特性存在非线性，,u,i,u,T,时晶体管截止。,i,B,i,B,u,BE,t,u,i,t,U,T,34,克服交越失真的措施：,电路中增加,R,1,、,D,1,、,D,2,、,R,2,支路。,R,1,D,1,D,2,R,2,+,U,SC,-,U,SC,U,L,u,i,i,L,R,L,T,1,T,2,静态时:,T,1,、,T,2,两管发射结电位分别为二极管,D,1,、,D,2,的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；,两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为“,甲乙类放大,” 。,动态时：,设,u,i,加入正弦信号。正半周,T,2,截止，,T,1,基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周,T,1,截止，,T,2,基极电位进一步提高，进入良好的导通状态。,35,实用OTL互补输出功放电路,调节,R,使静态,U,AQ,=0.5,U,SC,D,1,、,D,2,使,b,1,和,b,2,之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。,R,e,1,、,R,e,2,：电阻值12,，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。,D,1,D,2,u,i,+,U,SC,R,L,T,1,T,2,T,3,C,R,B,R,e,1,R,e,2,b,1,b,2,A,36,+24V,u,i,R,L,T,7,T,8,R,C,8,-24V,R,2,R,3,T,6,R,c,1,T,1,T,2,R,b,1,R,b,2,C,1,R,f,R,1,D,1,D,2,T,3,R,e,3,T,4,R,e,4,C,2,T,5,R,e,5,C,3,C,4,T,9,T,10,R,e,10,R,e,7,R,e,9,C,5,R,4,BX,差动放大级,反馈级,偏置电路,共射放大级,U,BE,倍增,电路,恒流源,负载,准互补功放级,保险管,负载,实用的OCL准互补功放电路：,37,3、丁类（D类）功率放大电路,功率放大器的主要问题就是如何尽可能提高功放管的输出功率。甲、乙、丙类放大器是通过不断减小电流导通角,来不断提高放大器功率的。,但导通角,减小使有限度的，,太小时I,c1m,下降太多，输出功率反而下降。要想维持I,c1m,不变，可以加大激励电压，但这可能导致管子的击穿。,丁类(双管)、戊类(单管)放大器采用固定导通角,为90,，尽量降低晶体管的耗散功率的办法，来提高功率放大器的功率的。具体说，让晶体管工作在开关状态：导通时进入饱和区，器件内阻接近零；截止时，电流为零，器件内阻接近无穷大。,38,功放类型比较,A,类,：,25%,B,类,：,78.5%,AB,类,：,50,70%,（,消除了交越失真,）,D,类,:,理论效率,100%,。,(,优先选择,),39,D类功放,实际上只具有开关功能，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路中。然而，开关功能（也就是产生数字信号的功能）随着数字音频技术研究的不断深入，用与Hi-Fi音频放大的道路却日益畅通。,20世纪60年代，设计人员开始研究,D类功放,用于音频的放大技术，70年代Bose公司就开始生产D类汽车功放。一方面汽车用蓄电池供电需要更高的效率，另一方面空间小无法放入有大散热板结构的功放，两者都希望有D类这样高效的放大器来放大音频信号。其中关键的一步就是对音频信号的调制。,40,图中所示是,D类功放,的基本结构，可分为三个部分：,图,D类功放,基本结构,41,第一部分为,调制器,，最简单的只需用一只,运放构成比较器,即可完成。把,原始音频信号,加上,一定直流偏置,后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个,三角形波,加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（Pulse Width Modulation脉宽调制）或PDM（Pulse Duration Modulation脉冲持续时间调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。,42,第二部分就是,D类功放,，这是一个,脉冲控制的大电流开关放大器,，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率,PWM信号,。能够输出的最大功率有负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。,第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用,LC低通滤波器,。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。,43,电流开关型D类放大器的工作原理,特点：效率接近100%,44,f,A,u,A,um,0.7,A,um,f,L,下限截止频率,f,H,上限截止频率,通频带：,f,bw,=,f,H,f,L,放大倍数随频率变化曲线,二、功放电路的性能指标,1、通频带,45,阻容耦合多级放大电路的频率特性：,f,A,耦合电容造成,三极管结电容造成,采用直接耦合的方式可降低放大电路的下限截止频率，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。,46,展宽通频带的方法：,引入负反馈（增益下降）；,增大放大器输入耦合电容或增大回路输入电阻；,高频电路的一些常用方法（略）,47,2、输入电阻,放大电路一定要有前级（信号源）为其提供信号，那么就要从信号源取电流。,输入电阻,是衡量放大电路从其前级取电流大小的参数。输入电阻越大，从其前级取得的电流越小，对前级的影响越小。,A,u,I,i,U,S,U,i,48,3、输出电阻,A,u,U,S,放大电路对其,负载,而言，相当于信号源，我们可以将它等效为戴维南等效电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。,r,o,U,S,49,如何确定电路的输出电阻,r,o,？,步骤：,1. 所有的电源置零 (将独立源置零，保留受控源)。,2. 加压求流法。,U,I,方法一：,计算。,50,方法二：,测量。,U,o,1. 测量开路电压。,r,o,U,s,2. 测量接入负载后的输出电压。,r,o,U,s,R,L,U,o,步骤：,3. 计算。,51,4、谐波失真THD,失真,有多种：,谐波失真,、,互调失真,、,相位失真,等等。我们平常所说的失真度的技术术语为,总谐波失真,，英文为：Total Harmonic Distortion，简称,THD,。,一般在,多媒体音箱,的,功放,电路上，THD的指标是指,在fo1KHz正弦波输入，功率在1/2额定,输出功率,时的总谐波失真,，这个指标我们可以很容易地做到0.5%以下。但是，当音量开大，功放的功率达接近,额定功率,时，THD会开始急剧增加，这主要是由于电源功率的限制，使功放输出出现了削波现象，也就是我们所说的削波失真，这个时候它是THD中的最主要成分。,52,谐波失真是由,放大器,的,非线性,引起的，失真的结果是使放大器输出产生了原,信号,中没有的,谐波,分量，使声音失去了原有的音色，严重时声音会发破、刺耳。,多媒体音箱的谐波失真在标称额定功率时的失真度均为10%，要求较高的一般应该在1%以下。,谐波失真还有奇、偶次之分，人们通过试验和分析发现：奇次谐波使人烦躁不爱听，而少量的偶次谐波则能使音色更好听。,53,54,三、功放设计举例,2001年D题：,高效率音频功率放大器的设计,一般地，如果音频功放题目有诸如“高效”之类的字眼，均应采用D类功放。,以下介绍一个D类功放的实例电路以资设计参考：,1、D类功放总体设计框图：,55,整机电路,56,2、音频前置放大电路,57,3、三角波（锯齿波）产生电路,58,59,60,61,62,63,64,4、SSPWM单边正弦脉宽调制电路,65,66,5、脉冲功放设计,67,6、低通滤波器（四阶巴特沃斯滤波器）,68,相信以上的分析对大家理解2001年D题有帮助。 该题具体任务及解答请翻阅电子工业出版社 高吉祥主编全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路P228-246.,69,四、补充知识场效应管,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管,JFET,绝缘栅型场效应管,MOS,场效应管有两种:,70,N,基底 ：N型半导体,P,P,两边是P区,G(栅极),S源极,D漏极,一、结构,1 、结型场效应管:,导电沟道,71,N,P,P,G,(栅极),S,源极,D,漏极,N沟道结型场效应管,D,G,S,D,G,S,72,二、工作原理（以,P,沟道为例）,U,DS,=0V时,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,N,N,I,D,PN,结反偏，,U,GS,越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,73,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,I,D,U,DS,=0V时,N,N,U,GS,越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当,U,GS,较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,74,P,G,S,D,U,DS,U,GS,N,N,U,DS,=0时,U,GS,达到一定值时（,夹断电压,V,P,）,耗尽区碰到一起，,DS,间被夹断，,这时，即使,U,DS,0V，,漏极电流,I,D,=0A。,I,D,75,P,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0、,U,GD,V,P,时耗尽区的形状,N,N,越靠近漏端，,PN,结反压越大,I,D,76,P,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,V,p,且,U,DS,较大时,U,GD,V,P,时耗尽区的形状,N,N,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,I,D,77,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,V,p,U,GD,=,V,P,时,N,N,漏端的沟道被夹断，称为,予夹断。,U,DS,增大则被夹断区向下延伸。,I,D,78,G,S,D,U,DS,U,GS,U,GS,0,时,U,GS,足够大时（,U,GS,V,T,）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。,感应出电子,V,T,称为阈值电压,90,U,GS,较小时，导电沟道相当于电阻将,D-S,连接起来，,U,GS,越大此电阻越小。,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,91,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,当,U,DS,不太大时，导电沟道在两个,N,区间是均匀的。,当,U,DS,较大时，靠近,D,区的导电沟道变窄。,92,P,N,N,G,S,D,U,DS,U,GS,夹断后，即使,U,DS,继续增加，,I,D,仍呈恒流特性,。,I,D,U,DS,增加，,U,GD,=,V,T,时，靠近,D,端的沟道被夹断，称为予夹断。,93,三、增强型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,转移特性曲线,0,I,D,U,GS,V,T,94,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,0,95,四、耗尽型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,耗尽型的,MOS,管,U,GS,=0,时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,0,I,D,U,GS,V,T,96,输出特性曲线,I,D,U,DS,0,U,GS,=0,U,GS,0,97,电子设计竞赛培训,祝同学们：,心想事成！,模拟电路部分结束,98,