电子技术中单元电路的设计方法

炎黄职业技术学院信息工程系 雷时荣

EDA(Electronic Design Automation)技术的发展使电子电路的设计方法和电子电路的实现方法发生了根本性的变化。借助各种应用软件实现从电路原理到印刷板电路的设计，利用可编程逻辑器件PLD或在系统可编程逻辑器件ISP技术实现数字电路和模拟电路的功能，已经成为开发电子产品的重要手段。

在电子技术中，为了设计一个完整的电路，实现一定的功能，达到良好的性能，通常将一个大的电子电路划分为若干模块，每一个小模块，就是一个单元电路。因此，掌握单元电路的设计方法和实际设计电路的能力，是电子工程师必备的能力。本篇就此课题，讲述几种重要单元电路的设计方法。

一、限流电阻的选择

电子电路中经常应用普通二极管、稳压二极管、发光二极管等不同类型的二极管。尽管用途各不相同，但由于它们在导通时具有陡峭的特性（如图1所示）。

所以在电路中必须串接限流电阻，保护二极管免受过大的电流而导致损坏。选择限流电阻要依据二极管导通时的电压和二极管的工作电流确定。一般来说，普通二极管的正向导通电压约为0.7V，发光二极管的正向导通电压为1.8～2.0V，红外发光二极管的正向导通电压约为1.3V，稳压二极管的反向击穿电压则有型号决定。工作电流则要根据电路的要求确定，必要时应查阅器件手册。二极管电路的限流电阻可按式（1.1）确定

图1 稳压二极管特性

图2 普通二极管电路

图3 发光二极管电路

R=（U﹣UD）／ID（1.1）

例如，图2中，若U=5V，要求二极管的工作电流为1mA，则限流电阻为

R=（U﹣UD）／ID=（5-0.7）V/1 mA=4.3kΩ

图3中，若U=12V，发光二极管的最大正向电流为30mA则可以取工作电流为5～10mA，估计发光二极管的正向导通电压约为2V，代入式（1.1），可求出限流电阻的取值范围为1～2kΩ。

当负载电流很小时，稳压管的限流电阻也可用上述方法确定。但当负载电流较大时，要根据负载电流的变化范围和电网电压波动等因素综合考虑，利用EWB来调试限流电阻值，则是直观便捷的方法。

二、三极管开关驱动电路的设计

在实际电子电路系统中，经常用三极管开关电路来驱动执行元器件。因此要根据执行元器件的参数来设计电路。下面以驱动一个小型继电器为例，来说明开关驱动电路元件参数的设计方法。

驱动继电器的三极管开关电路如图4所示。图中，二极管为续流二极管。

1.三极管的选择

选择三极管主要根据PCM、ICM和U(BR)CEO三项参数。

如果继电器的型号已经选定，则可得到其电气参数。例如，线圈电压为6V，线圈直流消耗功率为0.36W，据此可计算出继电器的额定工作电流I=0.36/6A=60mA。如果已知的是线圈的电阻值，则应利用欧姆定律计算出额定工作电流，这也是三极管的工作电流。如果电源电压为6V，因三极管导通时处于饱和状态，集电极功耗不大，可以不考虑对PCM的要求，只需要根据继电器的额定工作电流和电源电压选择三极管，例如进口的9013、9014，国产的3DG12B都能满足要求。

如果继电器的工作电流较大，三极管可采用复合管（达林顿管）形式。

2.基极限流电阻的确定

图4 驱动继电器的开关电路

基极限流电阻要根据基极电流来确定。

式（2.1）中IC为继电器额定工作电流。设电源电压为6V，则三极管工作在开关状态，若三极管基极驱动电平为5V，发射结导通电压为0.7V，三极管的β值为200，则

RB≤（5-0.7）V/(60mA/200)≈14.3 kΩ

因为同一型号的三极管的β值不同，为了保证三极管工作在截止、饱和状态，RB可取值小一些，如10 kΩ或更小一些。但必须注意不要使基极电流过大，造成发射结烧毁。

若电源电压比继电器额定电压高，如9V，则三极管导通时处于放大状态，在这种情况下，RB的大小应进行调试，若RB太大则达不到吸合电压，太小则使继电器电流超过额定工作电流。

三、电压放大器的设计

以下分别介绍单管共发射极放大器和运算放大器构成的放大电路的设计方法。

（一）单管共发射极放大器的设计

1.电路形式和要求

分压式共发射极电路如图5所示。为维持UB基本恒定和发射极电阻（Re1+ Re2）的直流电流负反馈作用，应满足：

I1=(5～10)IB(硅管)

I1=(10～20)IB(锗管)

UB=(3～5)V(硅管)

UB=(1～3)V(锗管)

此外，电阻Rb1、Rb2、RC和Re2的选择要兼顾对电压放大倍数Au、输入电阻Ri

以及输出电阻R0的设计指标要求；耦合电容C1、C2和旁路电容Ce的取值要满足对下限频率的要求；三极管的选择要满足电路对其PCM、U（BR）CEO、ICM的要求以及对特征频率的要求。

2.设计方法

放大电路的传统设计计算方法比较繁杂，电路参数计算完以后，还需要搭接实际电路反复的调试。利用计算机的辅助设计则简化了这一过程。利用EWB进行电路元件参数设计的分压式共发射极放大电路连接图，它满足电压放大倍数Au≥30，输入电阻Ri≥5 kΩ的设计要求。实现过程简述如下：

（1）画出电路，接入仪器、仪表；依照对电流和电压的要求大致给出元件参数，然后根据电压表、电流表的指示对静态工作点进行调整，使之满足前述对I1、IB和UB的要求。

（2）再根据示波器对输入、输出电压幅度的指示，求出电路的电压放大倍数Au，如Au小于要求值，则调节发射极上的电阻值大小，使之达到指标。

（3）计算输入电阻值。如果输入电阻小于要求指标，则需要重新调节基极电阻和发射极电阻。上述步骤需要反复进行，才能兼顾各项指标要求。

（4）如果对放大器有频带要求，则需考虑上限截止频率fH和fL。

（二）运算放大器构成的放大电路的设计

运算放大器（运放）构成的放大电路的设计远比分立元件电路简单，因为无论是反相、同相还是差分放大器，放大倍数主要由外接电阻值确定。但是，在选择运放和元件参数时，必须考虑以下问题，否则调试时会出现输出电压达不到预期结果的现象。

1.放大器的增益和频带宽度的乘积应小于运放的增益带宽积

运放的增益带宽积为常数，即：Au0BW=AufBWf=BWG。其中Au0BW为开环增益带宽积，AufBWf为闭环增益带宽积，BWG是当增益为1时的带宽，即单位增益带宽积。虽然运放的开环电压增益Au0很大，开环带宽BW却很窄（即上限频率很低），因此在引入负反馈以后，闭环电压增益Auf越大，闭环带宽BWf则越窄。

运放的开环带宽或增益带宽积可以查阅手册直接得到。手册给出的开环上限截止频率fH，就是开环带宽BW。手册给出的单位增益带宽BWG，就是增益带宽积。

2.大信号工作条件下，要保证运放的转换速率满足

SR＞2fmax×Uomax

其中，fmax为输入信号的最高工作频率，Uomax为最大输出电压幅值。如不满足上述要求，则会出现相位失真和输出幅度不足等问题。

3.最大共模输入电压应在运放允许的范围之内

设计运算放大器构成的放大电路，基本步骤如下：

图5 分压式共发射极电路

图6 RC桥式正弦波振荡电路

（1）选择合适的集成运算放大器，使之满足频率和转换速率的要求。

（2）选择反馈电阻Rf和电阻R1。反馈电阻Rf一般在几千欧至1兆欧的范围内选取，因为电阻过小可能使运放负载过重，电阻过大将造成稳定性差和噪声大。

（3）选择平衡电阻Rp。在输入端接地的情况下，调节阻值，使输出电压为零，从而实现平衡。

四、正弦振荡电路的设计

正弦振荡电路有RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器等多种形式，它们的电路结构和工作原理在模拟电子技术课程中有涉及。

设计一个正弦振荡电路，频率的相对误差＜±5%，电源电压变化±1V时，幅值基本稳定，振荡波形对称，无明显非线性失真。以下仅简单介绍上述电路设计的基本步骤。

1.电路方案选择

因为方案所要求的振荡频率属于低频，故选择RC正弦振荡电路。RC正弦振荡电路有RC串、并联网络构成的文氏桥式正弦振荡和RC移相网络构成的移相式正弦振荡等。前者应用最为普遍，适用于产生1MHz以下的正弦信号，而且容易实现稳幅，因此选用此方案，其电路如图6所示。图6中，RC串、并联网络引入正反馈并具有选频作用；Rf引入负反馈，调节R2的大小能使电路满足起振的幅值条件，利用二极管VD1、VD2的非线性实现稳幅。

在串联网络的电阻、电容与并联网络的电阻、电容参数相同的前提下，振荡频率f0=1/2RC

起振幅值条件Auf=(Rf+R1)/R1≥3

则Rf≥2 R1

2.参数确定和元件选择

（1）确定R、C的大小。

（2）确定Rf和R1的大小。

（3）R2、R3和稳幅二极管的选择。选二极管时，应使两只二极管特性一致，保证正弦波波形对称。

(4) 选择集成运算放大器。

3.利用EWB验证参数选择是否合理。

五、单脉冲产生电路设计

在一些电子电路的应用或调试中，需要用单个脉冲来控制时序电路的工作。以下介绍单脉冲产生电路的形式和工作波形，供参考和选用。

图7 RS触发器构成的单脉冲产生电路

图8 门电路和阻容元件构成的微分型单脉冲产生电路

图9 555时基电路构成的单脉冲产生电路

1.异步单脉冲产生电路

异步单脉冲产生电路一般由按键开关和波形产生电路构成。输出单脉冲的宽度或取决于开关接通时间的长短，或取决于电路中定时元件R和C的取值。

（1）RS触发器构成的单脉冲产生电路

图7中，每当单刀双掷开关完成一次R-S-R或S-R-S的切换，便在输出端产生一对互补的脉冲。脉冲的宽度由切换开关的速度确定。

（2）微分型单脉冲产生电路

图7是由门电路和阻容元件构成的微分型单脉冲产生电路及其工作波形。每按下一次按钮，则在输出端得到一个负向脉冲。脉冲宽度由定时元件RC的值决定，与按下开关S的时间长短无关。

（3）555时基电路构成的单脉冲产生电路

图9可以看出，555时基电路接成了单稳态电路的形式。每按动一次开关，相当于给555电路的引脚2提供一个负向脉冲。于是输出端3便输出一个正向脉冲，其宽度Tw≈1.1RC，与开关接通时间的长短无关。

2.同步单脉冲产生电路

同步单脉冲产生电路一般由按键开关、触发器和逻辑门构成。输出单脉冲的宽度与开关接通时间的长短无关，仅取决于时钟周期，且与时钟同步。图9为由D触发器构成的同步单脉冲产生电路。

直流稳压电源由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路组成。电源变压器一般可以买到，关键问题是合理选用变压器的功率和输出电压。整流一般采用二极管桥式整流，无论是采用整流桥，还是四只二极管，都必须保证其最大电流、最大反向电压满足电路的要求并留有一定余地。三端集成器件固然简单，但是参数和外围元件选择合理，才能提高使用效率和保证输出电压的稳定度。介于篇幅原因，此电路的设计过程不详述。