典型应用电路分析与设计——原理分析、实际测试、故障排除

本书主要对典型应用电路进行工作原理分析、参数计算、仿真验证和实际电路板测试。全书详细讲解电路工作原理和主要参数计算，并提供了详细的电路仿真分析设置，对瞬态、直流、交流、参数和高级分析等均提供了详细的参数设置，与实际电路测试比较，实现对实际电路更加全面的分析。本书所用电路主要为典型应用电路，为刚开始学习电路设计的工程师提供学习空间。电路理论计算、仿真分析、实际测试相结合，以便读者对电路更加全面、透彻地理解。

本书每个设计独立成节，首优选行电路工作原理讲解和主要参数计算：然后进行电路仿真分析，提供详细的瞬态、直流、交流、参数和高级分析数据，对电路关键节点信号波形进行测试，以便与实际电路测试比较；最后进行电路板制作与实际测试，包括详细调试步骤、典型测试波形以及故障分析与排除。电路设计过程中加入灵敏度、优化、蒙特卡洛、最坏情况等高级分析，以便更加透彻地理解温度、电路参数容差等的影响，更加全面地分析实际电路。本书突出仿真软件功能和实际设计应用，将模拟电路设计和软件功能进行完美结合，力求为读者提供最实用的设计书籍，既可供初涉电路设计的工程师学习，也适合作为一线工程技术人员的参考书。

第1章 运放电路设计实例
1.1 电压比较电路
1.1.1 单限比较电路
1.1.2 迟滞比较电路
1.1.3 比较器应用——频率测量
1.2 可编程增益调节电路
1.2.1 PGA207增益调节电路
1.2.2 INA111增益调节电路
1.3 滤波器电路
1.3.1 低通滤波器
1.3.2 高通滤波器
1.3.3 带通滤波器
1.3.4 陷波滤波器
1.3.5 滤波器设计实例
1.4 运放电路偏置与去耦
1.4.1 电阻偏置的常见问题
1.4.2 偏置网络与电源去耦
1.4.3 齐纳二极管偏置
1.4.4 偏置电路仿真测试与对比
1.4.5 直流耦合单电源转正负双电源
1.5 附录——主要元件模型
第2章 测量电路分析与设计
2.1 RC积分电路测试
2.1.1 上升沿和带宽计算
2.1.2 RC电路仿真测试
2.2 速度测量电路
2.2.1 速度测量电路工作原理分析与仿真验证
2.2.2 速度测量电路时域分析
2.2.3 速度测量电路交流分析
2.3 高级测量技术
2.3.1 地线问题
2.3.2 感应噪声
2.3.3 差分测量
2.3.4 浮动与小信号测量
2.4 正确选择探头
第3章 电源应用电路分析与设计
3.1 铅酸蓄电池充电器设计
3.1.1 蓄电池充电电路工作原理分析
3.1.2 时域分析与测试
3.1.3 参数分析与测试
3.2 可充电LED台灯电路工作原理仿真分析和实际测试
3.2.1 可充电LED台灯工作原理分析
3.2.2 开启与关闭过程测试
3.2.3 LED充电电路完整功能测试
3.2.4 电路性能改进
3.3 限流源模型分析与测试
3.3.1 有源负载测试
3.3.2 无源负载测试
3.4 高效降压变换器
3.4.1 工作原理分析
3.4.25 V/1A功能测试
3.4.35 V/2A功能测试
3.5 单电源缓冲电路设计
3.5.1 瞬态时域分析与测试
3.5.2 供电源效应测试
3.5.3 输入信号源VIN测试
3.5.4 负载效应测试
3.5.5 频域稳定性分析
第4章 电路保护与检测
4.1 线性电源保护
4.1.1 整机工作原理分析
4.1.2 原始电路测试
4.1.3 保护功能分析
4.1.4 实际设计与测试
4.2 MC34161通用电压监测芯片测试
4.2.1 芯片功能测试
4.2.2 交流电压自动切换
4.3 漏电流检测
4.3.1 漏电流检测电路原理分析
4.3.2 过流保护测试
4.3.3 频域补偿测试
4.3.4 时域补偿测试
4.3.5 输出电压范围与过流保护
4.3.6 整机测试
4.4 开关电源保护电路
4.4.1 开关电源工作原理分析
4.4.2 电流保护电路测试
4.4.3 市电输入过压保护电路测试
4.4.4 供电过压和欠压保护测试
4.4.5 IGBT保护电路测试
4.4.6 PWM输入基准电路
4.4.7 反压保护电路测试
4.4.8 风扇控制电路分析
第5章 典型电路测试
5.1 带通滤波器
5.2 RC积分电路
5.3 LED台灯电路
5.4 交流电压自动切换电路

     第3章电源应用电路分析与设计 本章主要讲解电源应用电路的分析与设计，包括充电器、电压转换、限流源、开关电源和线性电源； 在原始电路分析透彻的基础上进行量程扩展，并对其保护功能、输入源效应和负载效应进行详细测试。 3.1铅酸蓄电池充电器设计 3.1.1蓄电池充电电路工作原理分析 蓄电池充电电路具体如图3.1所示，工作原理如下。 （1） U1A、D7、R13为充电指示电路，蓄电池充电时发光二极管D7导通发光，充电停止时D7截止、停止发光。RV1、R5、R6提供正端参考电压，该电压值很小； 采样电流电压提供负端电压； 蓄电池充电时U1A的引脚2输出低电平，二极管D7发光工作； 蓄电池充电停止时U1A的引脚2悬空，二极管D7停止工作、不发光。 （2） U1B及附属电路实现充电电压控制。该电压值通过电阻R2、R3和R4对充电电压进行采样，参考电压通过RV1进行调节。当充电电压高于参考电压时U1B输出低电压，蓄电池充电停止，反馈电压与输出电压关系为 VFB=VOUT×R4R2+R3+R4=VOUT×1022.2=0.45VOUT（3.1） 由于二极管D6和采样电阻R12的原因，反馈电压精度将受到影响。由于充电电流恒定，R12两端电压保持恒定，二极管D6导通压降也保持恒定，所以通过调节RV1可以保证充电电压的准确度。 图3.1蓄电池充电电路 （3） U1C和T4及附属电路实现充电电流参考值设置。蓄电池电压低时U1C的引脚14输出低电压，U1D的引脚11为低电压VL，实现小电流充电； 蓄电池电压高时U1C的引脚14输出悬空，U1D的引脚11为高电压VH，实现大电流充电。R12为充电电流采样电阻。 VL= 8×0.939.9=0.18V，VH=8×0.939∥22∥100+0.9=0.543V（3.2） （4） U1D及附属电路实现恒流充电控制电路，U1D的引脚13输出电压用于控制电流功放电路T1、T2、T3实现电流放大及恒流控制，电流采样电阻R12=0.47Ω时，有： IL= VLR12=0.180.47=0.383A，IH=VHR12=0.5430.47=1.155A（3.3） （5） 变压器TR1、D1、D2、C1实现交流220V交流转直流功能，为蓄电池供电。D3、U1、C2、C3实现辅助8V电压源功能。 3.1.2时域分析与测试 首先利用PSpice对充电电路进行瞬态仿真分析，加深对电路的理解，具体仿真电路如图3.2所示。具体瞬态仿真设置如下所述。 （1） 仿真时间与优选步长： 仿真时间设置取决于蓄电池充电电压设定及充电量大小，优选步长决定仿真精度及波形显示分辨率，具体设置如图3.3和图3.4所示。 (2) Options设置： 决定仿真精度、收敛性和仿真速度。 (3) 波形显示窗口： 设置波形显示特性和内容，正确设置能够大大提高仿真速度和波形提取速度，非常实用，具体设置如图3.5所示。 (4) 瞬态仿真波形复制设置： 仿真结果包括波形和数据，能够复制到Office软件进行后期应用和处理，具体设置如图3.6所示。 瞬态仿真波形如图3.7所示，图3.7（a）为充电指示灯电流波形，电流为10mA时蓄电池充电，电流为0时充电截止； 图3.7（b）为蓄电池充电电压波形，从初始值8.5V充电至16V，充电电压值通过电位器RV1进行调节； 图3.7（c）为充电电流波形，蓄电池电压小于9.5V时采用小电流253mA充电，大于9.5V时采用1.05A充电，充电电流与计算值存在约0.1A的误差： IL=VLR12=0.180.47=0.383A，IH=VHR12=0.5430.47=1.155A 误差主要由比较器电路决定，尤其电阻R15，但是通过系统调整参数值可以满足充电电流整体要求。 如图3.8所示，蓄电池充电电流参考电压波形的低压为180mV，高压为537mV，与计算值基本一致： VL=8×0.939.9=0.18V，VH=8×0.939∥22∥100+0.9=0.543V 图3.2蓄电池充电仿真测试电路 图3.3瞬态仿真设置 图3.4Options设置 图3.5波形显示窗口设置 图3.6瞬态仿真波形复制设置 图3.7仿真波形 图3.8蓄电池充电电流参考电压波形 3.1.3参数分析与测试 充电瞬态仿真分析设置和电阻参数设置具体如图3.9和图3.10所示，时长为20ms、优选步长为5μs，当电阻参数值RV分别为0.3kΩ、0.4kΩ、0.5kΩ时对电路进行仿真分析。 图3.9瞬态仿真分析设置 图3.10参数RV设置 充电电压和充电电流波形具体如图3.11所示，图3.11(a)为充电电压波形，图3.11(b)为充电电流波形； 通过设置RV参数值调节蓄电池充电电压值，使得调节非常方便。 图3.11充电电压和充电电流波形 充电电流参数仿真设置及测试波形如图3.12~图3.14所示，充电电流与电阻Rs近似成VH/Rs比例关系。 图3.12充电电流参数设置： 通过设置采样电阻值调节充电电流 图3.13Rs=0.47Ω时充电电流约为1A 图3.14Rs=0.94Ω时充电电流约为0.5A 3.2可充电LED台灯电路工作原理仿真分析和实际测试285mV。 5V/1A输出电压纹波测试数据如图3.61所示，VDC分别为20V和10V时输出电压纹波分别约为87mV和83mV，输入电压越高、输出电压纹波越大。 5V/1A整机效率测试的仿真设置和测试波形