電子系統(tǒng)設(shè)計概論復習題綱

1、2012電子系統(tǒng)設(shè)計概論復習題綱1.功率半導體器件二極管、GTR、IGBT、MOSFET的主要技術(shù)指標及其技術(shù)特點。a、二極管（單向?qū)щ娦裕╇妷盒驼蚱茫憾O管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通反向偏置：二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾沒有電流流過反向擊穿特性：當反向電流增加到一定大小時，方向電流劇增。電導調(diào)制效應(yīng)不符合歐姆定律 b.GTR（功率晶體管） (1) 靜態(tài)特性 截止區(qū)：Ib=0 放大區(qū)：ic與ib之間線性關(guān)系，飽和區(qū)： ic基本不變 失控區(qū)：當VCE超過一定值，ic會急劇上升，導致雪崩擊穿，并產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象。功率晶體管的主要

2、特點是功率耗散大，因此在設(shè)計器件時通常采取如下措施：提高器件的擊穿電壓、增加有源區(qū)面積、減小管芯本體厚度、改善管芯與載體的熱傳導性能、提高底盤的功率容量等。c.IGBT（絕緣柵門極雙極型晶體管）(1) 靜態(tài)特性當UGE小于開啟電壓UGE（th）時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓。UGE（th）隨溫度升高而略有下降。在+25時，UGE（th）的值一般為2-6V。Ic受UGE控制，UGE越高，Ic越大。Ic與UGE大部分呈線性關(guān)系。與GTR的輸出特性相似，IGBT有飽和區(qū)、有源區(qū)、截止區(qū)和失控區(qū)之分。（2）動態(tài)特性 與MOSFET

3、的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行。IGBT的關(guān)斷時間toff=關(guān)斷延遲時間td（off）+下降時間。IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。當門極加正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通當門極加負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷這種器件的特點是集MOSFET與GTR的優(yōu)點于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。d.MOSFET(功率場效應(yīng)晶體管) 電流型(

4、1) 靜態(tài)特性 工作在截止區(qū)和工作區(qū)兩個狀態(tài)，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，導通時呈阻性。(2)動態(tài)特性 漏源電壓BVDS隨溫度而變化，提高Idmax(最大漏極電流)主要靠增加單位管芯面積的溝道寬度。漏極短接條件下ID等于1mA時的柵極電壓定義為閾值電壓。其開關(guān)速度比一般場效應(yīng)器件和雙極型功率器件要高的多。功率MOSFET大多采用豎直溝道雙擴散型結(jié)構(gòu)，在N+襯底上的N-型外延層中，用雙擴散技術(shù)，先形成P溝道*區(qū)，再形成N型源區(qū)。2導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電。（如N型MOS，多子是電子）2. 功率半導體器件在功率驅(qū)動電路中所處的工作狀態(tài)。三極管、MOS管等功率半導體器件在性能

5、良好的功率驅(qū)動電路中處于開關(guān)狀態(tài)，即飽和或截止狀態(tài)。3. 在控制電路及功率器件間加一級驅(qū)動電路的目的及作用。因為兩者之間不能直接連接，加一級驅(qū)動電路起到電平轉(zhuǎn)移作用，可以提高開關(guān)速度，降低損耗。4. 了解傳統(tǒng)線性三端穩(wěn)壓器（78、79系列）、LDO各自壓差大小。三端穩(wěn)壓器（78、79系列）壓差：2-3V。78系列三端穩(wěn)壓器要求輸入與輸出間壓差在3V以上否則輸出電壓不能穩(wěn)定。78系列為正極性穩(wěn)壓器與之對應(yīng)的有負極性穩(wěn)壓器79系列LDO(電磁供電)壓差：幾十毫伏1V以下，普通的為0.3、0.5V左右5. 線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源各自優(yōu)缺點，穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標及其物理意義。線性穩(wěn)壓電源的最大優(yōu)

6、點是紋波小、噪聲小、可靠性高，價格低，缺點是效率低、功耗大、重量重、動態(tài)響應(yīng)（包括負載響應(yīng)和源響應(yīng)）慢，過載能力差。開關(guān)穩(wěn)壓電源優(yōu)點體積小，重量輕，效率高、功耗低，最大缺點是紋波大，噪聲大。主要技術(shù)指標：工作電壓范圍，輸出電壓紋波，響應(yīng)的快慢，輸入輸出電源類型，最大輸出電流，效率，額定輸出電壓，輸出電壓容差，負載效應(yīng)，源效應(yīng)，輸入功率因數(shù)PF，輸入電流諧波THD。6. 掌握繼電器或LED數(shù)碼管驅(qū)動電路的設(shè)計計算。 目前常用發(fā)光管的最大驅(qū)動電流為20MA，故可取每段發(fā)光管最大驅(qū)動電流為IF=2.5mA。VL=1.2v2.繼電器驅(qū)動A、用分立元件 可取繼電器工作電流50mA,三極管放大倍數(shù)為100

7、則:7. 掌握并能設(shè)計簡單的BUCK、BOOST DC/DC開關(guān)電源，掌握開關(guān)電源所用主要IC器件及其作用。直流降壓斬波電路（BUCK）：Vout=DVin=VinTon/T(用于降壓)直流升壓斬波電路（BOOST）：Vout=Vin T / Toff（用于升壓）升降壓極性反轉(zhuǎn)電路（CUK電路）：Vo= E Ton/Toff（用于升壓、降壓）多功能DC/DC集成電路AC/DC開關(guān)電源常用電路結(jié)構(gòu)U0(N2/N1)* (ton /toff)* Ui。當負載為零時（即開路）情況下，輸出電壓U0 à,這種情況不允許出現(xiàn)，故反激式電源接一個假電阻負載。2、單端正激式開關(guān)電源3、半橋開關(guān)電源設(shè)

8、計U0 ( N2/N1) *(ton/T)*Ui如負載開路，則輸出電壓U0 (N2 /N1) Ui /24、全橋開關(guān)電源U0(N2/N1) *(2ton/T) *Ui 輸出電壓比半橋電路大一倍  負載開路時：U0(N2/N1)*Ui5、推換式開關(guān)電源8. 運算放大器的主要類型、主要技術(shù)參數(shù)及其物理含義。按功能分：a、通用運放: 如LM358,LM324，NE5532A,TL064 b、斬波放大器: OP177, AD8551 c、差分放大器：AD8137 d、儀器放大器：INA128 e、隔離放大器：AD215, ISO121f、增益可變或可編程放大器：TL026, PGA102,

9、PGA207 g、音頻功率放大器：AD547T, LM1875T，TPA0211 h、視頻放大器：AD8051，OPA3693 i、射頻放大器：AD8353，THS4271 j、對數(shù)放大器：LOG101 k、特殊放大器：XTR112(熱電阻傳感器用）,RCV420(4-20mA接收）集成運放的主要技術(shù)指標： 速度、精度、增益和噪聲抑制能力、電源四大類增益帶寬乘積GBW = Avd fH，Avd為中頻開環(huán)差模增益，fH為上限截止頻率(-3dB) 擺率（轉(zhuǎn)換速率 Slew Rate） 共模抑制比最大輸入和輸出電壓范圍 輸入電壓：（V-）+5 to （V+）-5，輸出電壓：（V-）+4 to （V+

10、）-4，輸入失調(diào)電壓Uio:加在兩輸入端之間，使輸出為零所需要的電壓，溫漂電壓：Uio/單位溫度變化所引起的輸入失調(diào)電壓，輸入偏置電流Ib是兩個輸入電流之和的一半h、靜態(tài)電流i、電源電壓J、輸入阻抗和輸出阻抗。對于放大器輸入阻抗大，則對前級影向小。輸出阻抗小，意味著運放帶負載能力強。9. 掌握并推導用普通三運放構(gòu)成的儀器放大器輸入和輸出關(guān)系，及儀器放大器設(shè)計要點。A1和A2產(chǎn)生的輸出電壓 如輸出級完全對稱，則要求：R4/R6=R7/R5如令R2=R3,R4=R5=R6=R7，則故改變R1，即改變放大器增益Ad設(shè)計要點:a、A1和A2級可設(shè)計成高增益，而不致引起較大的直流失調(diào)。b、輸出級A3盡量

11、用小電阻，以便減少直流失調(diào)（Ib引起的）c、 R4R7阻值要盡可能相等d、A1和A2要選同一芯片上雙運放，這樣可利用電路的對稱性減少溫漂引起的影響。10. 信號隔離的方法？推導用線性光耦構(gòu)成的隔離放大器輸入和輸出關(guān)系。電氣隔離有兩種：a、  用光耦隔離,用于低頻 b. 用變壓器磁隔離 ,用于高頻這里K3=1，由手冊給定。而IF=1nA20mA。經(jīng)實測全量程內(nèi)（02.5V）線性度在0.2%內(nèi)。 11.了解掌握并能分析用運放構(gòu)成的各種精密整流電路。1.反向精密半波整流器：當Ui為正半周時，U<0,Uout<0,故D1截止，D2導通.故:當Ui為負半周時，D1導通，D2截止。故

12、： Uo=0;當D1和D2紅線接法為反相負極性選擇。 2.同相精密半波整流器：當Ui>0時，為正半周，D1截止，D2導通。Uo= 當Ui<0時，為負半周，D1導通，D2截止。Uo=0此時無反饋，變成比較器，故U+U-如構(gòu)成反饋，則U+=U-.3.全橋整流電路：信號本身和它的反相半波整流信號以1比2的比例組合在一起，故：V0=-（R5/R4)*VI-（R5/R3)*VHW ，VHW為半波整流輸出，由于VI>0時, VHW=-(R2/R1)VI VI<0時,VHW=0 所以: V0=AP*VI VI>0V V0=-AN*VI VI<0V式中 AN=R5/R4 A

13、P=R2R5/R1R3AN 令: AN=AP=A故: V0=A*VI VI>0V0=-A*VI VI<011. 了解掌握Multisim可以仿真的電路類型。12. 了解四種常用的有源濾波器的有關(guān)概念。掌握數(shù)字濾波器設(shè)計的一般步驟。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。13. 了解傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢，及各種傳感器的典型應(yīng)用。發(fā)展趨勢：A、傳感器的固體化

14、B、傳感器集成化和多功能化C、傳感器的智能化D、傳感器組網(wǎng)的無線化觸摸感應(yīng)傳感器：電容感應(yīng)傳感器已大量應(yīng)用于觸摸屏、家電產(chǎn)品、消費娛樂類電子產(chǎn)品中。電容式典型芯片有，, MPR084等。電場感應(yīng)式傳感器有公司。磁場傳感器：AD22151 磁場傳感器，該芯片主要用于汽車領(lǐng)域，如油門踏板位置檢測磁阻式傳感器 HNC1051/HMC1052/HMC1053傳感器: 三軸加速度傳感器目前除廣泛用于汽車領(lǐng)域外，已大量用于無線鼠標、iPhone手機、游戲機等消費產(chǎn)品中.慣性傳感器是三軸陀螺儀傳感器和加速度傳感器的組合,目前主要用于導彈等軍事領(lǐng)域,民用主要用于GPS導航器、游戲機等消費電子產(chǎn)品中.14. 掌

15、握霍爾電流傳感器、電容觸摸傳感器的工作原理。霍爾電流傳感器工作原理：置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)電容觸摸傳感器工作原理：電容式傳感器的電容表達式為 ，其中k為電介材料的介電常數(shù)，A感應(yīng)面積，相對介電常數(shù)為F/m，d電容極板間的間距。從公式中可看出電容值受A、d、影響，當頻率值和電壓值給定，電容的變化控制輸出電流的變化。16. 了解薄膜變壓器技術(shù)信號隔離集成電路、數(shù)控電位器、數(shù)控電容器的工作原理及典型應(yīng)用。信號隔離集成電路同傳統(tǒng)的光耦隔離、矽鋼片或高頻鐵氧體變壓器隔離不同，現(xiàn)代信號隔離器件采

16、用薄膜變壓器技術(shù)，具有信號傳輸速度 快、隔離電壓高、損耗小、集成度高、價格低等優(yōu)點。數(shù)控電位器按控制方式分：有鍵控式、IIC 、SPI。主流為SPI接口按一個芯片內(nèi)集成的電位器個數(shù)分：有單個、雙個、四個電位器按級數(shù)分：有32級、100級、128級、256級、512級、1024級17. 掌握微處器技術(shù)發(fā)展趨勢及單片機選用應(yīng)考慮的主要因素，單片機等級及其相應(yīng)工作溫度范圍。微處器技術(shù)發(fā)展趨勢1.單片機主頻越來越高。采用哈佛結(jié)構(gòu)和備頻技術(shù)。內(nèi)置振蕩器的單片機越來越多。2.內(nèi)部集成專用的功能模塊越來越多。如集成A/D、D/A、運放、比較器、PWM、RF、USB、CAN3.功耗越來越低。TI430已達到工

17、作功耗：160A/MHZ，靜態(tài)功耗：1.5A4.引腳越來越少。大量使用I2C、SPI、引腳功能復用等技術(shù)，使芯片引腳越來越少，最少只有5個引腳5.工作電壓越來越小。最低出現(xiàn)1.8V單片機.6.仿真器越來越簡單。普通采用JTAG、MON8、BDM等USB仿真器。選用應(yīng)考慮的主要因素: (1)根據(jù)輸入、輸出模擬量及開關(guān)量的多少，確定單片機I/O引腳數(shù)。(2)根據(jù)單片機控制速度要求，選擇單片機主頻（或BUS頻率），選擇哈佛結(jié)構(gòu)還是諾曼依結(jié)構(gòu)。(3)根據(jù)單片機執(zhí)行任務(wù)的多少，具體估算程序大小，初步確定單片機FLASH和RAM大小(4)考慮是否需要擁有PWM、A/D、D/A、USB、CAN、RF等特殊功

18、能模塊。(5)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和使用環(huán)境情況選擇單片機的等級及可靠性。(6)根據(jù)產(chǎn)品使用性質(zhì)考慮選擇單片機的價格。(7)根據(jù)用市電供電還是用電池供電考慮單片機的功耗。(8)考慮單片機的成熟性及使用口碑。(9)考慮單片機的采購情況。(10)考慮單片機開發(fā)的可借鑒性。單片機等級:商用級，。工業(yè)級，。汽車級， 軍用級， 18. 了解PLC控制器的軟件編程技術(shù)和硬件技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及PLC的典型應(yīng)用。以下列出了PLC的硬件進展： 采用新的、先進的微處理器和電子技術(shù)達到快速的掃描時間； 小型的、低成本的PLC，可以替代4到10個繼電器，現(xiàn)在獲得更大的發(fā)展動力； 高密度的I/O系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的

19、接口； 基于微處理器的智能I/O接口，擴展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，網(wǎng)絡(luò)，CAN總線，現(xiàn)場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和語言模塊（如BASIC，PASCAL）； 包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，使端子更加集成； 特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應(yīng)力測量、快速響應(yīng)脈沖等； 外部設(shè)備改進了操作員界面技術(shù)，系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標準功能。 以上這些硬件的改進，導致了PLC的產(chǎn)品系列的豐富和發(fā)展，使PLC從最小的只有十個I/O點的微型PLC，到8000點的大型PLC，應(yīng)有盡有。這些產(chǎn)品系列，用普通的I/O系統(tǒng)和編程外部設(shè)備，可以組成局域

20、網(wǎng)，并與辦公網(wǎng)絡(luò)相連。整個PLC的產(chǎn)品系列概念對于用戶來說，是一個非常節(jié)約成本的控制系統(tǒng)概念。 與硬件的發(fā)展相似，PLC的軟件也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能： PLC引入了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?，并且根?jù)國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言； 小型PLC也提供了強大的編程指令，并且因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域； 高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經(jīng)可以實現(xiàn)，在與外部通訊和處理數(shù)據(jù)時提供了更大的編程靈活性； 梯形圖邏輯中可以實現(xiàn)高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現(xiàn)復雜的軟件功能； 診斷和錯誤檢測功能，從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷，擴大到對所控制的機器和設(shè)備的過程和設(shè)備進行診斷； 浮點運算可以進行控制應(yīng)用中計量、平衡和統(tǒng)計等所牽涉的復雜計算； 數(shù)據(jù)處理