電源工程師必知的直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)問答
2017-7-3 10:05:21??????點(diǎn)擊：
一、下面是一些基本的數(shù)字直流穩(wěn)壓電源電路知識(shí)問題
(1) 什么是 Setup 和 Hold 時(shí)間？
答：Setup/Hold Time 用于測試芯片對(duì)輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)之間的時(shí)間要求。 建立時(shí)間(Setup Time)是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以前，數(shù)據(jù)能夠保持穩(wěn) 定不變的時(shí)間。輸入數(shù)據(jù)信號(hào)應(yīng)提前時(shí)鐘上升沿(如上升沿有效)T 時(shí)間到達(dá)芯片， 這個(gè) T 就是建立時(shí)間通常所說的 Setup Time。如不滿足 Setup Time，這個(gè)數(shù)據(jù)就 不能被這一時(shí)鐘打入觸發(fā)器，只有在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，數(shù)據(jù)才能被打入 觸發(fā)器。 保持時(shí)間(Hold Time)是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來以后，數(shù)據(jù)保 持穩(wěn)定不變的時(shí)間。如果 Hold Time 不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。
(2) 什么是競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象？怎樣判斷？如何消除？
答：在組合邏輯直流穩(wěn)壓電源電路中，由于門直流穩(wěn)壓電源電路的輸入信號(hào)經(jīng)過的通路不盡相同，所產(chǎn)生的延時(shí)也就會(huì)不同，從而導(dǎo)致到達(dá)該門的時(shí)間不一致，我們把這種現(xiàn)象叫做競 爭。由于競爭而在直流穩(wěn)壓電源電路輸出端可能產(chǎn)生尖峰脈沖或毛刺的現(xiàn)象叫冒險(xiǎn)。如果布爾 式中有相反的信號(hào)則可能產(chǎn)生競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象。解決方法：一是添加布爾式的消 去項(xiàng)，二是在芯片外部加直流穩(wěn)壓電源電容。
(3) 請(qǐng)畫出用 D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn) 2 倍分頻的邏輯直流穩(wěn)壓電源電路？
答：把 D 觸發(fā)器的輸出端加非門接到 D 端即可，如下圖所示：
(4) 什么是"線與"邏輯，要實(shí)現(xiàn)它，在硬件特性上有什么具體要求？
答：線與邏輯是兩個(gè)或多個(gè)輸出信號(hào)相連可以實(shí)現(xiàn)與的功能。在硬件上，要用 OC 門來實(shí)現(xiàn)(漏極或者集電極開路)，為了防止因灌直流穩(wěn)壓電源電流過大而燒壞 OC 門， 應(yīng)在 OC 門輸出端接一上拉直流穩(wěn)壓電源電阻(線或則是下拉直流穩(wěn)壓電源電阻)。
(5) 什么是同步邏輯和異步邏輯？同步直流穩(wěn)壓電源電路與異步直流穩(wěn)壓電源電路有何區(qū)別？
答：同步邏輯是時(shí)鐘之間有固定的因果關(guān)系。異步邏輯是各時(shí)鐘之間沒有固定的因果關(guān)系。直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)可分類為同步直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)和異步直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)。同步直流穩(wěn)壓電源電路利用時(shí)鐘脈沖使 其子系統(tǒng)同步運(yùn)作，而異步直流穩(wěn)壓電源電路不使用時(shí)鐘脈沖做同步，其子系統(tǒng)是使用特殊的 “開始”和“完成”信號(hào)使之同步。異步直流穩(wěn)壓電源電路具有下列優(yōu)點(diǎn)：無時(shí)鐘歪斜問題、 低電源消耗、平均效能而非最差效能、模塊性、可組合和可復(fù)用性。
(6) 請(qǐng)畫出微機(jī)接口直流穩(wěn)壓電源電路中，典型的輸入設(shè)備與微機(jī)接口邏輯示意圖(數(shù)據(jù)接口、控制接口、鎖存器/緩沖器)。
答：典型輸入設(shè)備與微機(jī)接口的邏輯示意圖如下：
(7) 你知道那些常用邏輯電平？TTL 與 COMS 電平可以直接互連嗎？
答：常用的電平標(biāo)準(zhǔn)，低速的有 RS232、RS485、RS422、TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、ECL、LVPECL 等，高速的有 LVDS、GTL、PGTL、 CML、HSTL、SSTL 等。
一般說來，CMOS 電平比 TTL 電平有著更高的噪聲容限。如果不考慮速度 和性能，一般 TTL 與 CMOS 器件可以互換。但是需要注意有時(shí)候負(fù)載效應(yīng)可能 引起直流穩(wěn)壓電源電路工作不正常，因?yàn)橛行?TTL 直流穩(wěn)壓電源電路需要下一級(jí)的輸入阻抗作為負(fù)載才能 正常工作。
二、 可編程邏輯器件在現(xiàn)代直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中越來越重要
(1) 你所知道的可編程邏輯器件有哪些？
答：ROM(只讀存儲(chǔ)器)、PLA(可編程邏輯陣列)、FPLA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)、PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用陣列邏輯)，EPLD(可擦除的可編程邏輯器件)、 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等 ，其中 ROM、FPLA、 PAL、GAL、EPLD 是出現(xiàn)較早的可編程邏輯器件，而 FPGA 和 CPLD 是當(dāng)今最 流行的兩類可編程邏輯器件。FPGA 是基于查找表結(jié)構(gòu)的，而 CPLD 是基于乘積 項(xiàng)結(jié)構(gòu)的。
(2) 設(shè)想你將設(shè)計(jì)完成一個(gè)直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源電路方案，請(qǐng)簡述用 EDA 軟件(如 PROTEL)進(jìn)行 設(shè)計(jì)(包括原理圖和 直流穩(wěn)壓電源PCB 圖)到調(diào)試出樣機(jī)的整個(gè)過程。在各環(huán)節(jié)應(yīng)注意哪些問 題？
答：完成一個(gè)直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)方案的整個(gè)過程大致可分為以下幾個(gè)步驟：(1) 原理圖設(shè)計(jì)；(2) 直流穩(wěn)壓電源PCB設(shè)計(jì)；(3) 投板；(4) 直流穩(wěn)壓電源元器件焊接；(5) 模塊化調(diào)試；(6) 整機(jī)調(diào)試。各環(huán)節(jié)注意問題如下：
(1) 原理圖設(shè)計(jì)階段
● 注意適當(dāng)加入旁路直流穩(wěn)壓電源電容與去耦直流穩(wěn)壓電源電容；
●注意適當(dāng)加入測試點(diǎn)和 0 歐直流穩(wěn)壓電源電阻以方便調(diào)試時(shí)測試用；
●注意適當(dāng)加入 0 歐直流穩(wěn)壓電源電阻、電感和磁珠以實(shí)現(xiàn)抗干擾和阻抗匹配；
(2) 直流穩(wěn)壓電源PCB 設(shè)計(jì)階段
● 自己設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源元器件封裝要特別注意以防止板打出來后直流穩(wěn)壓電源元器件無法焊接；
● FM 部分走線要盡量短而粗，電源和地線也要盡可能粗；
● 旁路直流穩(wěn)壓電源電容、晶振要盡量靠近芯片對(duì)應(yīng)管腳；
● 注意美觀與使用方便；
(3) 投板
● 說明自己需要的工藝以及對(duì)制板的要求；
(4) 直流穩(wěn)壓電源元器件焊接
● 防止出現(xiàn)芯片焊錯(cuò)位置，管腳不對(duì)應(yīng)；
● 防止出現(xiàn)虛焊、漏焊、搭焊等；
(5) 模塊化調(diào)試
● 先調(diào)試電源模塊，然后調(diào)試控制模塊，然后再調(diào)試其它模塊；
● 上電時(shí)動(dòng)作要迅速，發(fā)現(xiàn)不會(huì)出現(xiàn)短路時(shí)在徹底接通電源；
● 調(diào)試一個(gè)模塊時(shí)適當(dāng)隔離其它模塊；
● 各模塊的技術(shù)指標(biāo)一定要大于客戶的要求；
(6) 整機(jī)調(diào)試
● 由于整機(jī)調(diào)試時(shí)仍然會(huì)出現(xiàn)很多問題，而且這些問題往往更難解決，如提高靈敏度等，這時(shí)一定不要手忙腳亂，要多向高手請(qǐng)教！
三、其它直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)問答
1、放大直流穩(wěn)壓電源電路中頻率補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘裁?，有哪些方法?/span>
答：放大直流穩(wěn)壓電源電路中頻率補(bǔ)償?shù)哪康挠卸阂皇歉纳品糯笾绷鞣€(wěn)壓電源電路的高頻特性，而是克服由于引入負(fù)反饋而可能出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，使放大器能夠穩(wěn)定工作。在放大直流穩(wěn)壓電源電路中，由于晶體管結(jié)直流穩(wěn)壓電源電容的存在常常會(huì)使放大直流穩(wěn)壓電源電路頻率響應(yīng)的高頻段不理想， 為了解決這一問題，常用的方法就是在直流穩(wěn)壓電源電路中引入負(fù)反饋。然后，負(fù)反饋的引入又引入了新的問題，那就是負(fù)反饋直流穩(wěn)壓電源電路會(huì)出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，所以為了使放大電 路能夠正常穩(wěn)定工作，必須對(duì)放大直流穩(wěn)壓電源電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償。
頻率補(bǔ)償?shù)姆椒梢苑譃槌把a(bǔ)償和滯后補(bǔ)償，主要是通過接入一些阻容元 件來改變放大直流穩(wěn)壓電源電路的開環(huán)增益在高頻段的相頻特性，目前使用最多的就是鎖相 環(huán)。
2、什么是頻率響應(yīng)，怎么才算是穩(wěn)定的頻率響應(yīng)，簡述改變頻率響應(yīng)曲線的幾 個(gè)方法。
答：這里僅對(duì)放大直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行說明。 在放大直流穩(wěn)壓電源電路中，由于電抗元件(如直流穩(wěn)壓電源電容、電感線圈等)及晶體管極間直流穩(wěn)壓電源電容的存
在，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高時(shí)，放大直流穩(wěn)壓電源電路的放大倍數(shù)的數(shù)值均會(huì)降低，而 且還將產(chǎn)生相位超前或之后現(xiàn)象。也就是說，放大直流穩(wěn)壓電源電路的放大倍數(shù)(或者稱為增 益)和輸入信號(hào)頻率是一種函數(shù)關(guān)系，我們就把這種函數(shù)關(guān)系成為放大直流穩(wěn)壓電源電路的頻 率響應(yīng)或頻率特性。
放大直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)可以用幅頻特性曲線和相頻特性曲線來描述，如果一個(gè) 放大直流穩(wěn)壓電源電路的幅頻特性曲線是一條平行于 x 軸的直線(或在關(guān)心的頻率范圍內(nèi)平行 于 x 軸)，而相頻特性曲線是一條通過原點(diǎn)的直線(或在關(guān)心的頻率范圍是條通過 原點(diǎn)的直線)，那么該頻率響應(yīng)就是穩(wěn)定的。
改變頻率響應(yīng)的方法主要有：(1) 改變放大直流穩(wěn)壓電源電路的直流穩(wěn)壓電源元器件參數(shù)；(2) 引入新的 直流穩(wěn)壓電源元器件來改善現(xiàn)有放大直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)；(3) 在原有放大直流穩(wěn)壓電源電路上串聯(lián)新的放大電 路構(gòu)成多級(jí)放大直流穩(wěn)壓電源電路。
3、給出一個(gè)差分運(yùn)放，如何進(jìn)行相位補(bǔ)償，并畫補(bǔ)償后的波特圖。
答：隨著工作頻率的升高，放大器會(huì)產(chǎn)生附加相移，可能使負(fù)反饋?zhàn)兂烧答伓鹱约?。進(jìn)行相位補(bǔ)償可以消除高頻自激。相位補(bǔ)償?shù)脑硎牵涸诰哂懈?放大倍數(shù)的中間級(jí)，利用一小直流穩(wěn)壓電源電容 C（幾十～幾百微微法）構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源電壓并聯(lián)負(fù)反饋 直流穩(wěn)壓電源電路?？梢允褂弥绷鞣€(wěn)壓電源電容校正、RC 校正分別對(duì)相頻特性和幅頻特性進(jìn)行修改。
波特圖就是在畫放大直流穩(wěn)壓電源電路的頻率特性曲線時(shí)使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。波特圖由對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性兩部分組成，它們的橫軸采用對(duì)數(shù)刻度 lg f ，幅頻特性的縱軸采用 lg Au 表示，單位為 dB；相頻特性的縱軸仍用j 表示。下圖給出了高通和低通直流穩(wěn)壓電源電路的波特圖：
4、基本放大直流穩(wěn)壓電源電路的種類及優(yōu)缺點(diǎn)，廣泛采用差分結(jié)構(gòu)的原因。
答：基本放大直流穩(wěn)壓電源電路按其接法的不同可以分為共發(fā)射極放大直流穩(wěn)壓電源電路、共基極放大直流穩(wěn)壓電源電路和共集電極放大直流穩(wěn)壓電源電路，簡稱共基、共射、共集放大直流穩(wěn)壓電源電路。 共射放大直流穩(wěn)壓電源電路既能放大直流穩(wěn)壓電源電流又能放大直流穩(wěn)壓電源電壓，輸入直流穩(wěn)壓電源電阻在三種直流穩(wěn)壓電源電路中居中，輸出直流穩(wěn)壓電源電阻較大，頻帶較窄。常做為低頻直流穩(wěn)壓電源電壓放大直流穩(wěn)壓電源電路的單元直流穩(wěn)壓電源電路。 共基放大直流穩(wěn)壓電源電路只能放大直流穩(wěn)壓電源電壓不能放大直流穩(wěn)壓電源電流，輸入直流穩(wěn)壓電源電阻小，直流穩(wěn)壓電源電壓放大倍數(shù)和輸出直流穩(wěn)壓電源電阻與共射放大直流穩(wěn)壓電源電路相當(dāng)，頻率特性是三種接法中最好的直流穩(wěn)壓電源電路。常用于寬頻帶 放大直流穩(wěn)壓電源電路。
共集放大直流穩(wěn)壓電源電路只能放大直流穩(wěn)壓電源電流不能放大直流穩(wěn)壓電源電壓，是三種接法中輸入直流穩(wěn)壓電源電阻最大、輸 出直流穩(wěn)壓電源電阻最小的直流穩(wěn)壓電源電路，并具有直流穩(wěn)壓電源電壓跟隨的特點(diǎn)。常用于直流穩(wěn)壓電源電壓放大直流穩(wěn)壓電源電路的輸入級(jí)和輸 出級(jí)，在功率放大直流穩(wěn)壓電源電路中也常采用射極輸出的形式。
廣泛采用差分結(jié)構(gòu)的原因是差分結(jié)構(gòu)可以抑制溫度漂移現(xiàn)象。
5、給出一差分直流穩(wěn)壓電源電路，已知其輸出直流穩(wěn)壓電源電壓 Y+和 Y-，求共模分量和差模分量。
答：設(shè)共模分量是 Yc，差模分量是 Yd，則可知其輸出為
可知
6、畫出一個(gè)晶體管級(jí)的運(yùn)放直流穩(wěn)壓電源電路。
答：下圖(a)給出了單極性集成運(yùn)放 C14573 的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖，圖(b)為其放大電 路部分：
左圖(a) C14573 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖 圖(b) C14573 的放大直流穩(wěn)壓電源電路部分
右圖(a)中 T1、T2 和 T7 管構(gòu)成多路直流穩(wěn)壓電源電流源，為放大直流穩(wěn)壓電源電路提供靜態(tài)偏置直流穩(wěn)壓電源電流， 把偏置直流穩(wěn)壓電源電路簡化后，就可得到圖(b)所示的放大直流穩(wěn)壓電源電路部分。
第一級(jí)是以 P 溝道管 T3 和 T4 為放大管、以 N 溝道管 T5 和 T6 管構(gòu)成的電 流源為有源負(fù)載，采用共源形式的雙端輸入、單端輸出差分放大直流穩(wěn)壓電源電路。由于第二 級(jí)直流穩(wěn)壓電源電路從 T8 的柵極輸入，其輸入直流穩(wěn)壓電源電阻非常大，所以使第一級(jí)具有很強(qiáng)的直流穩(wěn)壓電源電壓放 大能力。
第二級(jí)是共源放大直流穩(wěn)壓電源電路，以 N 溝道管 T8 為放大管，漏極帶有源負(fù)載，因此 也具有很強(qiáng)的直流穩(wěn)壓電源電壓放大能力。但其輸出直流穩(wěn)壓電源電阻很大，因而帶負(fù)載能力較差。
直流穩(wěn)壓電源電容 C 起相位補(bǔ)償作用。
7、直流穩(wěn)壓電源電阻 R 和直流穩(wěn)壓電源電容 C 串聯(lián)，輸入直流穩(wěn)壓電源電壓為 R 和 C 之間的直流穩(wěn)壓電源電壓，輸出直流穩(wěn)壓電源電壓分別為 C 上直流穩(wěn)壓電源電壓和 R 上直流穩(wěn)壓電源電壓，求這兩種直流穩(wěn)壓電源電路輸出直流穩(wěn)壓電源電壓的頻譜，判斷這兩種直流穩(wěn)壓電源電路何為高通 濾波器，何為低通濾波器。當(dāng) RC<<T 時(shí)，給出輸入直流穩(wěn)壓電源電壓波形圖，繪制兩種直流穩(wěn)壓電源電路 的輸出波形圖。
答：當(dāng)輸出直流穩(wěn)壓電源電壓為 C 上直流穩(wěn)壓電源電壓時(shí)，直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)為：
記輸入直流穩(wěn)壓電源電壓頻譜為 Pi (w) ，則輸出直流穩(wěn)壓電源電壓的頻譜為
當(dāng)輸出直流穩(wěn)壓電源電壓為 C 上電時(shí)，直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)為：
記輸入直流穩(wěn)壓電源電壓頻譜為 Pi (w) ，則輸出直流穩(wěn)壓電源電壓的頻譜為
從直流穩(wěn)壓電源電路的頻率響應(yīng)不難看出輸出直流穩(wěn)壓電源電壓加在 C 上的為低通濾波器，輸出直流穩(wěn)壓電源電壓加 在 R 上的為高通濾波器。
RC<<T 說明信號(hào)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于濾波器的中心頻率，所以對(duì)于第二個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路基 本上無輸出，第一個(gè)直流穩(wěn)壓電源電路的輸出波形與輸入波形基本相同。
8、選擇直流穩(wěn)壓電源電阻時(shí)要考慮什么？
答：主要考慮直流穩(wěn)壓電源電阻的封裝、功率、精度、阻值和耐壓值等。
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