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导语：在偏置电路设计的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：单片机；电子密码锁；安全
中图分类号：TP309.1 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 14-0028-01
随着科学技术的不断发展，人们的安全意识也越来越高，因此，生产出安全性能更高的、操作更简便的密码锁，是大势所趋，也使时展的必然结果。电子密码锁以其高安全性、低廉的成本、较低的能耗、简便的操作的特性，尤其受到消费者的欢迎。基于单片机防盗电子密码锁的核心是ATNEL公司的AT89C51单片机，其主要由键盘、液晶显示屏幕、控制电路、报警电路等部分组成，通过精巧的电路设计，使其具有密码改写、保存、输入错误超限报警等特性。
一、电子密码锁设计原理
电子密码锁的核心构建就是一个通过密码输入来控制电路的芯片，进而实现机械的开或合。市场上，电子密码锁的分类有许多种，有较为简单的电路构成的产品，也有集成电路构成的芯片类产品，其较高的性价比使其应用相当广泛。当下流行的手机铃声的编制就是运用以芯片为核心电子密码锁来实现的。
本文介绍的电子锁的核心构建是51系列单片机（AT89s51），配合相应的应硬件电路设施，具有密码的设置、存储、识别和显示等功能，同时还能够在密码多次输入错误或是非正常入侵时自动报警，大大提升了安全性能[1]。单片机的EEPROM中储存着设置好的密码，当接收输入的代码时，将其与之比较，若密码正确，则驱动电磁执行器开锁；假如密码不正确，则提示操纵人员重新输入密码，最多可输入三次；若是三次之后输入的密码仍为错误，单片机就会通过通讯线路向智能监控器发出报警信号。智能监控器每次都会监控单片机的开锁操纵和此时电磁执行器的驱动电流值，并接受单片机发来的报警信息，将这些信息及时汇总便于智能化分析。
图1 基于单片机的电子密码锁的基本电路构造
二、三大控制电路基本构造
（一）开锁控制电路
电子密码锁电路中最重要的结构就是开锁控制电路，它主要是通过单片机向开锁控制结构发送电讯号，从而电路驱动其电磁锁的吸合，进而实现锁的开或合。其简单原理可见图2所示。
开锁控制电路主要由两部分组成：驱动电路和执行电路。驱动电路由D1、R1、T1组成，其中T1可以选用普通的小功率三极管，D1作为开锁的提示。执行电路是由D2、C、T2组成的，其中D2、C能够消除电磁锁产生的反向高电压，并且保护电路免受电磁干扰。通常选用如8050的三极管作为T11而，电磁锁的类别要根据情况来选择，但基本要求就是保证足够且有余量的吸合力[2]。要单片机发出开门信号，用户必须满足一下两个条件，一是输入正确的密码，而是在规定的时间内（10s），锁驱动电路，然后驱动电磁锁，实现开锁的操作。当满足以上两个要求时，单片机发出开门信号驱动电路T1导通，进而启动D1发出开锁提示，最后驱动T2，T2执行开锁。
（二）断电存储电路
系统的掉电存储单元采用的是ATMEL公司生产的AT24C02电可擦除存储芯片，其内有存储空间为2KB字节，通过串行总线与单片机连接通讯，额定电流为1mA，最低电压可以达到2.5V。该芯片具备了有断电储存功能，并可将资料在短点的情况下储存40年以上，是值得信赖的芯片。AT24C02支持总线数据传送协议I2C，PHILIPS公司的I2C（Inter-Integrated Circuit），总线是两线式串行总线，由于其通信速度快、接线少、控制方式简便、体积轻巧等优点，在微控制器与设备的连接上都有广泛的应用[3]。在本系统中，单电机还连接了时钟电路，将其中的一个I/O口设置为输出方式，作为串行时钟线SCL，通过编程控制产生串行时钟信号，在通过另一个I/O口作为串行数据线SDA，通过编程控制时钟在低电平期间的读入或输出数据。当密码被重新设定时，机器将自动将新的密码保存在芯片内；当机器再次通电时，系统会调出存储器程序，并在缓存单元中读入存储器中储存的密码，供主程序使用。
图2 单片机开锁机构电路图
（三）LCD显示电路
本系统中所用的显示器是点阵字符型液晶显示器，它主要由LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器组成，并将其集成在一块印刷电路板上，这样讷讷个够便于拆装和应用。这种液晶显示器不仅能够显示数字、字符，还能够显示各种图形符号并实现用户对符号的自定义。此外，屏幕支持上下左右滚动、翻页、文字闪烁等功能，人机互动界面友好，操作便捷灵活。本系统采用的LMO16L液晶显示模块主要有两大类的操作：读操作和写操作[4]。通常情况下，液晶显示器不需要进行读操作，因此其主要执行的是写操作，而写操作又可分为写指令和写数据两个步骤。通过延时的方法处理忙标志，能够使液晶模块有足够时间进行内部数据处理，从而保障在写操作程序时能够准确无误。
电子密码锁具有简单的软硬件设计电路、低廉的开发成本、较可靠的安全性能、简便的操作方法，同时，还支持按键有效提示，输入错误提示，密码修改，密码输入延时或超限发出警报功能，在有突况时，能够将安全隐患降到最低，保障物件的安全，在市场上有较大的发展前景。尤其是家庭、企事业单位办公室、学生宿舍及宾馆等场所，适合使用这款电子密码锁。
参考文献：
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曲全鹏
（郑州华信学院机电工程学院, 河南郑州，451100）
摘要：本文详细介绍了利用单片机结合传感器技术开发设计的温度控制系统中，如何采用AT89S51 单片机设计模块电路。
关键词：单片机; 温度控制; 模块电路
中图法分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：
Based on the AT89S51 single-chip temperature control system
with module circuit design
Qu Quanpeng
（Machatronics Engineering Department,Zhengzhou Huaxin College,Zhengzhou,451100,China）
Abstract ：This paper introduces in detail combined with the use of single-chip sensor technology development
and design of the temperature control system,how to use the AT89S51 microcontroller design module circuit.
Keywords ：Single chip microcontroller;Temperature control;module circuit
0 引言
在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处
理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温
度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可
以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品
的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产
中经常会遇到的控制问题。
1 设计要求
设计一个基于单片机的温度控制系统，能够对炉温进行控
制。炉温可以在一定范围内由人工设定，并能在炉温变化时实
现自动控制。若测量值高于温度设定范围，由单片机发出控制信
号，经过驱动电路使加热器停止工作。当温度低于设定值时，单
片机发出一个控制信号，启动加热器。通过继电器的反复开启和
关闭，使炉温保持在设定的温度范围内。
1）温度设定范围为0 ～ 99℃，最小区分度为1℃，温度控制
的误差≤ 1℃
2）能够用数码管精确显示当前实际温度值
3）按键控制：设置复位键、加一键、减一键
4）越限处理
2 单片机选择
本设计选择AT89S51 作为主控芯片。AT89S51 单片机的
40 个引脚中有2 个专用于主电源引脚，2 个外接晶振的引脚，
4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及32 条输入输出I/O 引
脚。
1）电源引脚Vcc 和Vss
Vcc（40 脚）：接+5V 电源正端；
Vss（20 脚）：接+5V 电源正端。
2）外接晶振引脚XTAL1 和XTAL2
XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它
是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成外部时钟时，对于
CHMOS 单片机，该引脚接地；对于CHOMS 单片机，该引脚作为外
部振荡信号的输入端。
XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至
片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于
CHMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS
芯片，该引脚悬空不接。
3）控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、
PSEN 和EA/VPP 等4 种形式。
RST/VPD（9 脚）：RST 即为RESET，VPD 为备用电源，所以该
引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作
时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操
作，使单片机复位到初始状态。
当VCC 发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可
接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM 供电，以保证RAM 中的数据
不丢失。
ALE/ P （30 脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁
存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0 口
的地址信号。
PSEN(29 脚): 片外程序存储器读选通输出端, 低电平有
效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期
PESN 两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外
部数据存储器期间，PESN 信号将不出现。
EA/Vpp（31 脚）：EA 为访问外部程序储器控制信号，低电平
有效。当EA 端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB
（MS—52 子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部
程序存储器的程序。当EA 端保持低电平时，无论片内有无程序
机，在EPROM 编程期间，该引脚用于接21V 的编程电源Vpp。
4）输入/ 输出（I/O）引脚P0 口、P1 口、P2 口及P3 口
P0 口（39 脚～ 22 脚）：这8 条引脚有两种不同功能，分别适
用于两种不同情况。第一种情况是89S51 不带片外存储器，P0
口可以作为通用I/O 口使用，P0.0-P0.7 用于传送CPU 的输入
/ 输出数据。第二种情况是89S51 带片外存储器，P0.0-P0.7
在CPU 访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8 位地址，
然后传送CPU 对片外存储器的读写数据。
P1 口（1 脚～ 8 脚）：这8 条引脚和P0 口的8 条引脚类似，
P1.7 为最高位，P1.0 为最低位。当P1 口作为通用I/O 口使用时，
P1.0-P1.7 的功能和P0 口的第一功能相同，也用于传送用户的
输入和输出数据。
P2 口（21 脚～ 28 脚）：这组引脚的第一功能和上述两组引
脚的第一功能相同，既它可以作为通用I/O 口使用。它的第二功
能和P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8
位地址。
P3 口（10 脚～ 17 脚）：P3.0 ～ P3.7 统称为P3 口。它为双
功能口，可以作为一般的准双向I/O 接口，也可以将每1 位用于
第2 功能，而且P3 口的每一条引脚均可独立定义为第1 功能的
输入输出或第2 功能。P3 口的第2 功能见表1。
表1 单片机P3 口管脚第2 功能
Table 1 singlechip P3 mouth second pin function
AT89S51 单片机引脚图如图1 所示
3 单片机控制模块电路设计
控制模块是整个设计方案的核心，它控制了温度的采集、处
理与显示、温度值的设定与温度越限时控制电路的启动。本控制
模块由单片机AT89S51 及其外围电路组成，电路如图2 所示。
该电路采用按键加上电复位，S2 为复位按键，复位按键按
下后，复位端通过51Ω 的小电阻与电源接通, 迅速放电, 使
RST 引脚为高电平, 复位按键弹起后, 电源通过8.2KΩ 的电
阻对10KμF 的电容C5 重新充电,RST 引脚端出现复位正脉冲.
4 结束语
本设计采用内部时钟方式, 利用芯片内部的振荡器, 然后
在引脚XTAL1 和XTAL2 两端跨接晶体振荡器, 就构成了稳定的
自激振荡器, 发出的脉冲直接送入内部时钟电路,C6 和C7 的
值通常选择为30pF 左右, 晶振Y1 选择12MHz. 为了减小寄生
电容, 更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器电容应尽可
能安装得与单片机引脚XTAL1 和XTAL2 靠近。
参考文献
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作者简介
曲全鹏（1981—），男，河南周口人，实验师，郑州华信学院
机电工程学院，研究方向：机电一体化技术
1.1概述
红外探测器驱动电路为红外探测器(以下简称“探测器”)工作提供必须的工作电源、偏置电压、时序电路等，同时完成对探测器模拟信号的读取和预处理。
1.2探测器驱动电路设计
1.2.1探测器供电设计探测器所需的三个供电电源分别为VDDA、VDDO和VDDD。空间环境对电源的可靠性、体积、重量等参数都有着苛刻的要求，为了减小电源的输出波动和开关带来的噪声，采用体积小、重量轻、抗干扰性强的LDO(MSK5101)直接给探测器供电。探测器驱动电路工作温度范围为－20～+50℃，此范围内该LDO温漂为1.4mV，满足探测器使用要求，同时该芯片输出电流可达1.5A，
1.2.2探测器偏置电压设计探测器有7个直流偏置电压，分别为GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。这些偏置电压对噪声非常敏感，输入电压的波动会给探测器输出信号带来较大影响。为了保证探测器输出信号的稳定，须保证探测器偏置电压的稳定，同时尽量减小噪声。设计时，选用低噪声、低电压调整率的LDO产生一个稳定的电压V1，通过高精度的分压电阻从V1分得所需电压V2。为了增大驱动能力，同时起到隔离作用，将电压V2通过低噪声、高共模抑制比的运算放大器AD843(该运放在10Hz～10MHz带宽内噪声均方根为60μV，可满足探测器对偏置电压噪声均方根的要求)进行缓冲，得到电压V3供探测器使用。
1.2.3探测器输出信号阻抗匹配设计探测器输出模拟信号的典型负载要求为:R≥100kΩ，C≤10pF。在设计时，选取的运放(AD843)输入阻抗可达1010Ω，输入电容为6pF，可满足探测器的负载要求。
1.2.4中心电平平移及差分传输设计探测器输出信号动态范围为1.7～4.2V，中心电平为2.95V，而A/D芯片对输入信号中心电平的要求为0V。为了满足A/D芯片对输入信号的要求，在驱动电路上对探测器输出信号进行中心电平平移。红外信号属于小信号，易受到复杂的空间干扰影响，这种影响对于单端信号影响较大。当采用差分电路设计时，正负两路信号会受到相同的影响，但其差值ΔU=V+－V－变化较小，可减弱这种影响，因此采用差分传输设计。
1.3低噪声设计与改进
为了对设计的电路性能进行评估，使用数据采集软件采集探测器输出的信号并通过MATLAB对其进行分析。探测器驱动电路与系统联调，采集35℃时黑体数据并分析，发现约有15个DN值波动(幅值为7.3mV)。此时系统数字噪声均方根为2.7mV，NETD为65mK。为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)，为了降低噪声，在探测器驱动电路的供电入口、信号传输的关键路径等位置加上滤波措施(如大容量钽电容等)。重新采集图像数据并分析，测得此时DN值波动约7个(幅值为3.4mV)
1.4空间环境适应性设计
1.4.1降额设计降额是使元器件使用中的应力低于其额定值，以达到延缓参数退化，提高使用可靠性的目的。探测器驱动电路工作于空间环境中，为了保证其安全性和可靠性，在设计过程中对元器件的参数进行了降额设计。
1.4.2抗单粒子锁定设计探测器驱动电路工作于空间环境中，CMOS器件中的晶体管结构很容易受到空间高能粒子冲击，进而引发单粒子锁定效应(SEL)。发生SEL后，CMOS器件锁定区的电流将会大幅度增加，形成SEL异常大电流，进而影响电路的正常工作。为了防止SEL的发生，在电路设计时采取以下措施:
a)运放芯片(AD8138/AD843)的供电端串联限流电阻;
b)选用具有输出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)选用抗辐照器件;通过降额设计与抗单粒子锁定设计，保证了驱动电路工作的可靠性和空间环境适应性。
1.5性能检测
保持相同的光学、摆镜和数据采集设备，分别使用本文设计的探测器驱动电路和某型探测器驱动电路采集黑体图像数据并分析。在国产探测器均匀性、一致性与进口探测器有一定差距的情况下，通过改进探测器驱动电路，最终在性能指标上赶超了某型探测器驱动电路。证明该方案设计实用、有效。通过与系统联调，该探测器驱动电路工作稳定、可靠，可满足空间要求。
2总结
>> 制冷红外焦平面阵列响应特性的研究 红外焦平面阵列非均匀校正算法的ASIC设计 320×256阵列红外焦平面读出电路的设计 长波576×6元红外焦平面探测器成像系统硬件电路设计 基于TEC的大功率制冷电路设计 夜间成像红外LED的驱动电路设计 一种232转红外的电路设计 基于凸优化的低复杂度平面阵列综合方法 红外线遥控器检测仪的电路设计与制作 载人航天器仪表系统红外触摸屏硬件电路设计 基于热释电红外线传感器的电路设计 试论红外传感器CO2气体检测的电路设计 电子电路设计 电路设计与开关 模式转换电路设计 基于89c52的红外密集度立靶测试系统测时电路设计 一种带电流检测非互补式PWM产生电路设计 基于最小二乘法的非均匀加权平面阵振动定位算法研究 DDQ测试电路设计'> CMOS电路IDDQ测试电路设计 函数发生器电路设计 常见问题解答 当前所在位置：
关键词：非制冷红外焦平面阵列；读出电路；栅调制积分
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.007
引言
红外焦平面阵列（IRFPA）可以获取目标红外辐射信息，利用光电信息转换、信号处理等手段，实现对目标成像。传统制冷型红外探测系统，需要较低温度的工作环境，然而由于制冷设备复杂，携带不方便，且价格比较昂贵，难以实现大范围推广。非制冷红外焦平面阵列（UIRFPA）能够工作在室温条件下，降低了对工作环境的要求，被广泛应用在军事及民用领域[1]。非制冷红外焦平面阵列根据探测器元件的不同物理机理，可以分为：热释电型、热敏电阻型、双材料悬臂梁型[2]、热电堆型、二极管型[3]。二极管型非制冷红外探测器，是根据PN结二极管在恒定偏置电流下的导通电压―温度特性[4]制成的。它可采用标准的CMOS工艺完成探测器制作，大大降低生产成本，减小设备复杂程度，有利于红外成像技术的规模化应用。
读出电路（ROIC）是非制冷红外焦平面阵列的重要组成部分，其性能直接影响红外探测系统整体表现。目前关于SOI二极管型UIRFPA读出电路的研究文献比较少。本文提出一种针对SOI二极管原理非制冷红外探测器的读出电路。探测器阵列规模为384×288，帧频为40Hz，输出信号变化范围0～5mV。读出电路使用CHRT 0.35μm CMOS 工艺完成设计，仿真结果显示该设计读出电路输出动态范围达到2V，数据输出频率5MHz。
1 SOI二极管探测器工作原理
由肖克莱方程式[5]可知，理想二极管中，电流If与正向导通电压Vf之间的关系如下：
2 读出电路架构
非制冷红外焦平面阵列读出电路，主要由探测器阵列、列积分放大电路、采样保持电路、输出缓冲器、多路选择开关以及时序控制电路组成，读出电路的系统框图如图1所示。
电路采用行读出方式，在时序电路控制下，某一行的探测器被选通，该行探测器全部工作，各列读出电路单元同时对选通行的探测器信号进行读取及积分放大，采保电路将已被放大的信号进行采样保持，等待列选通开关依次选通，并通过输出缓冲器输出。这种电路结构比较简单，每列只需要一个读出电路，有益于实现低功耗、低噪声设计。读出电路结构图及工作时序如图2和图3所示：
3 栅调制积分（GMI）电路设计
传统非制冷红外探测器的基本原理是红外辐射引起探测器阻值改变，在恒定偏置电压条件下，探测器的电流发生变化，对电流积分得到相应的电压信号。而SOI二极管红外探测器偏置电流为恒定值，在红外照射下，正向导通电压改变。因此，传统的非制冷红外阵列读出电路不适合用作对SOI二极管探测器信号的读取。
对单个栅调制积分电路进行仿真，模拟探测器受红外辐射，输出信号范围2.000～2.005V，帧频为40Hz，选取积分时间为60μs，调制积分电路瞬时仿真结果如图5所示：
仿真结果显示，输入信号为2.000～2.005V时，输出信号范围1.409～1.910V，分析得到积分电压拟合曲线为y=-100.78*x+203.47，最大非线性点为0.32%。
由于受到积分电路增益的限制，积分电路输出电压动态范围只有501mV，不满足2V动态输出范围的要求，因此，设计中增加一级电荷转移放大电路实现对输出电压信号进一步放大。
4 仿真结果与分析
电路采用CHRT 0.35μm CMOS工艺设计，版图结构如图6所示。提取版图参数，利用Hspice仿真软件对读出电路进行仿真，仿真结果如图7所示。其中，图7（a）是读出电路单元输出波形，图7（b）是读出电路阵列输出波形。从图中可以看出，输出信号幅值3.441～1.437V，动态输出范围超过2V，数据输出频率5MHz，信号建立时间小于20ns，符合红外成像系统设计要求。
5 结论
针对SOI二极管红外探测器阵列，本文提出了一种新型读出电路，仿真结果显示：该读出电路能够实现对384×288非制冷红外焦平面探测器微弱信号的读取，动态输出范围超过2V，线性度99.68%，功耗116mW。该读出电路具有结构简单，输出动态范围大，线性度高，功耗小等特点，具有较高的实用价值。
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[关键词]低噪声放大器；射频识别；噪声系数；增益；稳定系数
中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0072-02
1 引言
射频识别（RFID）是一种利用射频通信实现非接触的自动识别技术，LNA作为RFID系统的关键器件之一， 主要功能是放大从天线接收到的信号，用于后级电路处理，同时抑制噪声干扰，提高系统的灵敏度，在实现数据无线传输过程中起重要作用。为了减少射频前端电路及天线的体积，目前针对RFID系统的研究主要集中于5.8GHz的高频段。本文采用ATF-541m4晶体管，利用ADS软件通过电路级以及版图级联合仿真，设计了一种可用于RFID系统的5.8GHz单级低噪声放大器。
2 电路设计
设计LNA电路时，需要综合考虑放大器的增益、噪声系数与输入输出匹配等参数。本文采用ATF-541m4晶体管实现低噪声放大器的设计，放大器晶体管的静态工作点将决定所设计的放大器的工作状态，偏置状态不同，晶体管的阻抗特性差别会很大，需要在选定器件后根据设计指标来获得偏置电压信息，设置ATF-541m4晶体管的直流工作点为。所设计的LNA电路原理如图1所示。
其中，R1、R2、R3为直流偏置电阻，Vdc为工作电压，C1、C2为隔直电容，L1、L2为扼流电感，C3、C4为旁路电容，C5、C6、C7为去耦电容。TL1、TL2和Tee1组成了输入端的微带线匹配电路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5组成了输出端的微带线匹配电路。电路的稳定性是放大器能够正常工作的前提，因此需要对晶体管进行增强稳定性的设计。仿真结果表明在3GHz-8GHz频带内，稳定性因子k=1.004，大于1，放大器保持绝对稳定。偏置电路是射频电路的设计中不可缺少的一部分，其主要作用是为放大器等有源器件提供合适的静态工作点，以保证整个电路能够正常工作。根据晶体管的直流工作点可以计算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。输入、输出匹配网络的作用是减小信号反射。若电路不匹配，则会形成反射，降低效率。对于低噪声放大器而言首先需要考虑的是最小噪声，再根据最佳噪声匹配来设计输入端的匹配电路。输出匹配网络的设计主要考虑LNA的驻波比和增益，输出端一般采用共轭匹配以获得最小驻波比和最大增益。通过仿真优化得出本文设计的LNA输出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。
3 电路及版图级联合仿真结果
针对图1所示的电路原理图，利用计算出的各元件参数进行ADS仿真，得出LNA的增益、噪声系数、输入/输出反射系数等的电路仿真结果。再根据原理图生成版图，在版图设计中，需增加一定数量的接地过孔，如果缺少接地过孔，会导致无法得到S参数理想结果。优化后得到的电路版图如图2所示。
图3所示为利用版图进行的联合仿真以及原理图级仿真结果对比。当工作频率为5.8GHz时，联合仿真中增益为10.25dB，满足大于10dB的设计指标，与电路仿真结果相比略有减小；联合仿真中放大器的噪声系数与电路仿真结果良好吻合，约为0.95dB；联合仿真的输入反射系数S11 = -30.16dB，输出反射系数S22 = -15.72dB，说明该放大器的输入匹配较好，但由于输出匹配中微带线的长度较长等原因，输出匹配没有输入匹配的效果好，但满足设计要求。
4 总结
本文以ATF-541m4晶体管为核心，通过设计静态工作点、增益反馈、输入/输出匹配等电路，仿真实现了一种单级低噪声放大器，利用ADS进行了电路级、版图级联合仿真优化，结果表明在5.8 GHz处，放大器增益为10.25dB，噪声系数为0.95 dB，输入与输出的反射系数分别为-30.16 dB和-15.72 dB，稳定系数大于1。
参考文献
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关键词:带隙基准 温度补偿 电源抑制比 正温度系数电流
中图分类号: TN7文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-070-02
1引言
近年来,随着CMOS工艺技术的进步,模拟集成电路设计技术得到了飞速发展。现在受到学术界和工业界广泛关注的系统芯片集成(system on chip)、数模混合电路、模拟集成电路等对芯片内集成的基准电压源的要求比以往更高。在诸多电压基准源中,带隙式基准源的应用最为广泛。而在功放等集成电路中由于功率较大,系统的温度变化也较大,因此过温保护电路也必不可少。本文设计了带自启动和过温保护电路的带隙式基准电路,并使用了负反馈的方法使输出基准电路与电源电压基本无关,从而提高了电源抑制比。
2带隙基准原理
带隙基准是一种几乎不依赖温度和电源的基准技术,一般的带隙基准在0~70℃温度范围内有10ppm/℃的温度系数,图1所示的是带隙基准源的原理示意图。pn结二极管的电压降为VBE,其温度系数在室温时大约为-2.2mV/K.而热电压VT(VT=kT/q)在室温时的温度系数为+0.085mV/K,将VT电压乘以常数K并和VBE电压相加可得输出电压为:
(1)
将式(1)对温度微分并代入VBE和VT的温度系数就可求得K,它可以使得VREF的温度系数在室温时理论上为0。由于VBE受电源电压变化的影响很小,带隙基准源受电源的影响也很小。本文中T定为温度参数,单位为K。
图1带隙基准电压产生原理
3传统的带隙基准
图2所示为传统的带隙基准的核心电路图,图中运算放大器工作在深度负反馈情况下,使A、B两点的电位相等。选取R2、R3两电阻的阻值相等,可以得到两个BJT晶体管支路上的电流相等。Q2的发射极面积为Q1的n倍,则由双极型晶体管的电流公式:
(2)
得:
(3)
(4)
电阻R1上的电压降为:
(5)
这样:
(6)
适当调整R1,R2,R3的电阻比例可以得到在室温时温度系数为0的输出电压Vref。
图2传统带隙基准原理图
4减小失调电压的影响
由于输入MOS管的非对称性,运算放大器存在有输入失调电压,也就是当运放的输入电压为零时,其输出电压不为零。当运放的输入电压为Vos时,我们可以得到基准电压的输出如(7)式所示:
(7)
等效的失调电压Vos在运放的输入端产生的影响被量化为:
(8)
得出:
(9)
由式(7)可见,如果同相比增大,即可减小失调对输出基准电压的影响。如图3所示为本文高精度CMOS带隙基准核心电路及其启动和保护电路,Q1、Q2面积是Q3、Q4的n倍,将Q1和Q2、Q3和Q4串联,将提高为2,减小运放失调的影响。
图3高精度CMOS带隙基准电路
核心电路产生一个和温度成正比的电流(PTAT电流)为:
(10)
仿真结果为4uA。
经过上方的电流镜,将PTAT电流镜像后流过电阻R4,得到一个PTAT电压,再与VBE5相加后得到输出电压Vref:
(11)
取VBE为0.7V,求得Vref=1.25V,由于所使用工艺模型的差异,仿真结果为1.23V。
5过温保护
过温保护由镜像管M16,M17,R7,R8,Q6,上拉电阻R9,以及反相器inv1,inv2组成。
PTAT电流经过镜像管M13,M16放大10倍后变成40uA从M16管漏端流出。正常情况下电阻R7,R8上的压降较低,不至于使Q6导通,因此OTout输出电位为“0”,M17栅极电位为“1”,管子导通,使R8短接,这样可以降低Q6基极的电位,使其截止。
当温度上升到大约125℃时,R7上的压降升高到Q6管BE结开启电压以上,Q6导通,输出OTout为“1”,从OTout输出的过温信号送到偏置部分的使能管栅端,用于关断电路。M17和R8起过温迟滞作用,当发生过温保护时,M17管关断,Q6基极点位进一步升高,温度必须降低到82℃左右,过温保护才被取消,电路进入正常工作状态。
带隙基准的过温保护迟滞效果如图4所示。
图4过温保护特性
电路采用CSMC 0.35um N阱CMOS工艺模型进行Spectre仿真,得到良好的温度扫描特性:
图5带隙基准的温度扫描特性
6电源抑制比
一般的带隙基准都要求较高的电源抑制比,但是如果带隙基准中的运放采用外加偏置,必然会受到电源电压纹波的影响,特别是随着工作频率的提高,电容耦合使得输出电压受到电源电压的影响更大。因而使得传统带隙基准电压源电路的性能指标的进一步提高受到很大限制。本文中的带隙基准采用负反馈自偏置电路,不仅简化了电路,而且利用一个负反馈使输出偏置电压受电源电压的影响更低。本电路考虑这个因素,采用了运放自偏置结构,将运放输出电压作为基准核心电路的偏置,形成一个负反馈自偏置环路,使电源电压对输出基准电压的影响进一步降低,在4V到7V范围内电源抑制比为0.01V/V,如图6所示。
图6带隙基准的电源电压扫描特性
7结束语
本文介绍了一种基于0.35um CMOS工艺设计的低温漂CMOS带隙基准源,常温下输出电压为1.23V;在-20℃~80℃温度范围内,温漂为10PPM/℃;在4V到7V范围内电源抑制比为0.01V/V;达到了设计的预期目标。整个电路结构简单,有一定的实用价值。
参 考文献:
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关键词：EDA；电工技术；电路设计
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）09-0029-02
一、引言
电工技术是一门非电专业，例如机械类、汽车类等学科中某些专业的基础或选修课程。但是，该门课程所包含的内容较多，跨度较大。上册主要有电路分析和电动机的基本原理，还包括电力电子技术；下册主要内容为模拟电子技术和数字电子技术。本课程开设的初衷是为这些非电专业的学生提供一个窗口，使其能够在短时间内对电子技术的基本原理有一个整体的把握，以具备对其专业的相关电子设备有一定的了解能力。因此，这种非专业性课程的定位，加之课程内容本身理论性较强，使学生不了解学习该课程的意义与实际的应用，导致学生学习兴趣不高，大多数以获得学分为目的。但是，随着现代科技的发展，电子技术及其相关的学科，几乎已经对各门学科产生了极大的影响，最明显的例子体现在现代汽车工业中。目前，汽车已经不再单纯是一个机械装置，它是综合了最新机械与电子技术发展水平的高科技产品。同时，随着电子和信息技术的飞速发展，市场上出现了各种各样的电子设计自动化（EDA：Electronics design automation）软件，改变了以往全部需要手工工作来设计电路的局面。目前，几乎所有的电子电路设计任务都是在EDA软件的协助下完成的，而且，是否具备熟练的EDA软件使用能力已经成为大多数公司招聘员工的先决条件。因此，在电工技术课程中引入EDA技术[1-5]，不仅能够为学生提供更为丰富的教学内容，也是帮助学生更好就业的一个重要手段。
二、EDA技术在模拟电路教学中的应用举例
模拟电路通常是电工技术教学中的难点，一是电路结构复杂，学生难以理解；其次，学生不了解该部分内容在实际工作中的应用，导致学习兴趣不高。为此，可以适当将EDA技术穿插在这部分的教学中，从实际电路设计的过程中引出与课程关键知识点相关的内容，以达到提高学生学习兴趣的目的。以下用一个实际的例子来表明如何将EDA设计过程与电工课程中相关知识点进行结合。
例：使用ADS（Advanced design system）软件实现共射极放大电路的静态分析与直流偏置设计。
共射极基本放大电路是电工技术中模拟电路部分接触的第一个重要的知识点，课程要求学生熟练使用计算法与图解法来确定放大电路的静态工作点。学生对这一部分的掌握情况直接影响到其对后续知识点的掌握，因此，本例从电路设计的实际过程出发，引出相应的知识点。
在讲解例子之前，需要给学生明确的是在实际的有源电路设计中，通常情况下，晶体管静态工作点的选择与设计是第一步，也是至关重要的一步。实现不同功能的电路，可能在电路图上区别不大，重要的是其静态工作点的选择。例如，低噪声功率放大器需要无失真地放大微弱信号，因此它的静态工作点需要选择在输出曲线的中点，而高功率放大电路为了尽可能提高输出效率，通常静态工作点选择到靠近截止区，而混频器、倍频器等电路，主要为了使用其非线性性能，因此，它们的静态工作点通常要靠近饱和区。其次，需要强调的是电路设计是电路分析的逆过程，遵循的步骤是根据输入输出关系，确定静态工作点，再得到直流偏置电路，与课程中计算直流工作点的顺序正好相反，但是，它们所反映出的基本原理都是相同的。
确定静态工作点，就是根据电路所要实现的功能，确定基极电流IBB和集电极电流IC，集射电压UCE。因此，首先需要得到晶体管的输入输出曲线。在ADS中，输入输出关系是通过对晶体管做直流扫描得到的。实验步骤是先建立一个新的工程项目（Project）和一个新的设计（Design），然后选择晶体管直流工作点扫描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接调用），并在其提供的元器件库中选择合适的元件，加入到模板中，如图1所示。
其次，需要设定晶体管的工作范围，就是IBB和VCE的范围，可以通过扫描参数设置得到，如图2所示。本例中，IBB的扫描范围是从20uA到100uA，扫描步长为10uA。VCE的扫描范围从0V到5V，扫描步长为0.1V。当扫描参数确定后，点击仿真按钮，就会产生图3的输入输出曲线。
图3所示的输入输出关系曲线与课本上的曲线几乎是一致的，它表明在不同的基极电流IBB作用下，集电极电流IC与集射电压VCE的关系。通过输入输出曲线，可以选择合适的静态工作点，以实现电路的功能。在本例中，为与教材保持一致，将静态工作点选择在输出曲线的中点，大致对应于图3中光标m1的位置，软件会自动显示出此处的参数，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。当静态工作点确定后，可以据此设计直流偏置电路。由于本例是设计共射极基本放大电路，因此需要计算基极和集电极电阻的大小。在ADS中，偏置电阻的大小可以自动计算，但是需要手动输入相关的公式，如图4所示：
根据图4的计算公式，可以得到图5的计算结果。从图中可以看到，当选择Ibb=60uA时，对应的基射电压和基极电阻在一个范围内变动，因此只能选择一个近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同样的方法，可以得到的集电极电阻Rc=340。当所有的参数都计算得到后，需要对该电路进行验证，并根据验证结果进行调整。验证电路及其参数如图6所示。
根据共射极放大电路的基本计算结果，可以设计出图6所示电路。验证该电路的方法是对其做直流仿真，并将仿真计算的结果直接显示在电路图中对应的元件和支路上。从图中可以看出，基极的电位为809mV，电流为69.9uA，而集电极电位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。对比前面得到的静态工作点参数（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以发现它们之间存在一个小的偏差，这是因为在电路设计中，无论是在静态工作点还是元件参数的选择上，都存在近似的过程，因此，任何电路的设计，都是一个近似的设计，由此得到的实际电路都需要经过调试合格后才能够实际使用。
以上的例子为学生展示了一个电路设计的基本过程以及设计方法。当课程进一步深入后，可以对本例进行扩展，例如在分析放大电路动态特性时，可以加入不同幅度的输入信号，观察在不同静态工作点，放大电路的输入输出波形和非线性失真，有助于学生理解设计静态工作点的意义。
三、结语
通过在电工技术课堂上增加EDA设计的过程，可以使课程从纯理论教学转向理论与实际设计相结合的教学方式，不仅能够提高学生的学习兴趣，还能够培养他们的实际动手能力，并极大增加了教师和学生间的互动。同时，课本上的理论与公式不再需要死记硬背，它们已经融合到设计过程中，学生通过一两个简单的设计就可以熟练掌握，使学生能够轻松完成课程的学习和考试。
参考文献：
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关键词：交流过零；桥式整流；光耦；三极管
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）11-0214-02
交流电源在我们日常生活和工业生产的各行各业中是最常用的一种能源，因此，我们需要在不同的使用场合对它有不同的有效控制手段，才能正确、高效地使用它。目前，各种对交流电的有效控制手段层出不穷，控制电路也是各种各样，如各种各样的交流调压电路就是交流电的有效控制电路之一。在交流电的控制电路中经常需判断交流电的过零时刻，下面介绍一种经过调试后，证明能有效地在交流信号过零时产生一个脉冲信号的交流过零信号产生电路，供大家参考使用。
1电路组成
交流过零信号产生电路电路原理图如图1所示：
电路由以下几部分电路组成：
1）降压电路
降压电路由降压变压器T承担，它把220V交流电压变换为各种场合所需的低压交流电，供其他低压交流电路使用。这里转换为9V，供后面的全波桥式整流电路使用。
2）全波桥式整流电路
全波桥式整流电路由四个IN4001整流二极管组成，其作用是把交流电的负半周也转换为正半周，使交流信号的一个周期中，有两个正半周期信号，即把正弦交流信号波形转换为均为正向的脉动直流电波形。
3）光耦隔离电路
光耦隔离电路由光耦EL817、输入限流电阻R1、输出集电极偏置电阻R2和+5V直流偏置电源组成。
EL817是台湾亿光公司生产的一体化光电耦合器，其作用是使输入端与输出端的信号完全隔离，避免输入信号与输出信号之间的互相干扰，，增加电路安全性，简化电路设计。
限流电阻R1的作用是使EL817输入端工作电流小于60mA，保证光耦输入端的正常工作，使电光转换正常，从而实现输入输出的光隔离作用。
偏置电阻R2和+5V直流偏置电源是光耦输出电路光敏三极管的偏置电路，使光耦正常
进行光电转换，从而输出与输入信号成正比的集电极信号。
4）三极管开关电路
三极管开关电路由电阻R2、R3、三极管9013和+5V直流偏置电源组成，其作用是在交流信号过零时刻产生一脉冲信号，以供后续电路判断交流信号的过零时刻。
2电路工作原理
当220V交流电和+5V直流电接通后，220V交流电经变压器T后转换为9V的交流电，经全波桥式整流后波形转换为脉动直流电（波形由图2所示），然后经限流电阻R1限流后送到光耦EL817输入端的内部发光器件LED上，使其发光，把脉动直流电转换为强弱变化的光信号，经光耦EL817内部的光敏接收三极管将光信号转换成电信号，然后将电信号经光敏三极管的集电极输出，送到三极管9013组成的开关电路的输入端，使开关电路在交流信号过零时刻产生一个负脉冲信号从开关电路的输出端（三极管的集电极）输出（波形由图3所示），供需判断交流过零时刻的电路使用。
光耦EL817实现了“电-光-电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离，从而使输入端与输出端信号相互隔离，避免互相干扰。
当正弦交流信号电压接近零时，信号电压较小，光耦EL817内部的发光二极管截止，光耦内部光敏三极管也截止，其集电极输出端输出的集电极电流为0，使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流最小，三极管9013处于饱和工作状态，使开关电路的输出端输出低电平（+0.3V）。
当正弦交流信号电压增大到使较大值时，信号电压较大，光耦EL817内部的发光二极管开始发光，光耦内部光敏三极管因接收到较强光线而开始工作，其集电极输出端输出的集电极电流较大，使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流增大，迫使三极管9013退出饱和工作状态而开始进入截止工作状态，使开关电路的输出端输出高电平（+5V）。
从以上分析可知，在正弦交流电过零时，电路就会产生一个较窄的负脉冲，供需判断交流过零时刻的电路使用。
3元器件参数选择和电路调试
要使电路正常产生一过零脉冲，则元器件的参数选择及电路的调试极其重要，具体选择和调试过程介绍如下：
因为我们选的降压变压器次级输出电压有效值为9V，相对较低，所以，整流二极管选择IN4001就可以了。从百库文库和百库百科中查到EL817光耦的输入LED发光二极管的最大正向电压为1.4 V，最大输入电流为60mA，输出接收光敏三极管最大集电极、发射极耐压为35 V，最大集电极电流为50mA。所以，光耦输入端的限流电阻R1的阻值选择220Ω，输出端的直流偏置电压选择5V，集电极偏置电阻R2（同时也作为开关电路三极管的基极偏置电阻）的阻值选择1kΩ，开关电路的三极管选择9013，其集电极偏置电阻R3阻值也选择1kΩ。
元器件参数选择后，按照图1正确连接好电路，接通交流220V和+5V直流电源，然后，用双踪示波器测得全波整流电路u1和u2的波形如图2所示，u2经光耦和开关电路后，u2和开关电路的输出uo的波形如图3所示。
4结束语
文章介绍的交流过零信号产生电路是一个经过验证的、实用的电路，该电路设计简单明了、制作方便，工作可靠性高，使用的元器件取材容易，性价比均较高，可应用于各种需判断正弦交流过零的场合，特别是晶闸管交流调压的场合。
参考文献：
[1] 郑晓峰. 模拟电子技术基础[M].北京： 中国电力出版社， 2008.
【关键词】直流电子负载；恒流恒压模式；蜂鸣器报警系统
0 引言
在电源、通信、蓄电池、能源等领域中，需要使用一些静态负载，通常采用电阻、电容、电感等或将它们的串并联组合来模拟实际负载情况，其缺点是负载占用较大的空间、精度差、形势单一且负载大小不能进行连续调节。直流电子负载的基本原理是利用功率场效应管（MOS），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体电子元件吸收电能并消耗电能。依靠功率半导体器件作为载体，实现了负载参数可调的功能，具有体积小和很高的调节精度和稳定性，能很好地模拟实际的负载，在电源设备测试中得到了广泛的应用。本文针对传统负载的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器为核心，尽可能通过软件替代硬件，使其具有硬件结构简单、功能强、控制灵活的特点。
1 系统整体方案设计
基于单片机控制的直流电子负载系统结构框如图1所示：
图1 单片机控制的系统结构框图
本系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、电子负载电路、采样电路、LCD显示电路和电源电路。
该系统方案的整体结构简易明了，将恒压电流、恒流电路有机的结合在了一起，并接入电子开关，操作时只需通过电子开关对模式进行手动切换，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过程序实现恒压恒流值的调节、端口电压的采集及显示等核心功能。硬件电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。
2 硬件电路设计
本智能控制系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、功率控制电路、采样电路、运放比较电路、LCD显示电路和电源电路。
2.1 核心控制电路设计
采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制单元，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），包含8位A/D、D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流预设置、A/D采样比较、D/A输出、LCD显示等多种功能，并且电路简单，控制效果好。
2.2 功率控制电路
选用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率MOS管具有正温度系数，当结温升高时通态电阻增大，导通电阻小，自带保护二极管，有自限流作用，噪声系数小，所以功率MOS管热稳定性好。
2.3 恒压电路设计
选用运放OP07，该运放器是一种低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度很高的双极性运算放大器。在反馈电路中加入电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。
恒压电路原理图如图2所示：
图2 恒压电路原理图
选用运放OP07，将同相输入端与输出端采用正反馈电路，在反馈电路中加入电阻R2，R3与R4并联实现分压。使得取样电阻上的电压稳定，实现输出电压与理论值相同。又由于运放的反相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。
2.4 恒流电路设计
选用运放OP07，该运放具有低噪声特点，低输入偏置电流，开环增益高，是稳定度很高的双极性运算放大器。该方案优于以上两个方案，故采用此方案。
恒流电路原理图如图3所示：
图3 恒流电路原理图
选用运放OP07，将反相输入端与输出端采用负反馈电路，运放的同相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。图5中输出端取样电阻为2欧大功率电阻，受热情况下其阻值改变不大。通过单片机设定负载参数。测试点的电流恒满足表达式：Itest=U/R1，其中U为采样电压。
2.5 LCD显示电路设计
传统设计方案：选用LED数码管显示，LED是笔划显示方式，虽然直观性好，视角大，但是该方式只能显示特定汉字和数字，若进行多位显示，需要多个数码管，功耗较大，体积大。
本设计方案：选用LCD12864液晶显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波形等多种方式显示，灵活性大，且同一界面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数，并且功耗低，体积小。
2.6 电源电路设计
变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。图4中电路提供的±15V，±12V电源主要用于运放电路，+5V电源用于单片机、液晶显示、键盘。
3 系统软件设计及流程
此设计使用低功耗单片机STC12C5A60S2，利用该单片机通过程序可以实现以下三个功能：
（1）设定恒压、恒流运行模式及参数。通过键盘设定以步进方式设置预设值送给单片机，单片机通过 D/A（DAC0832）将数字量转换成相应的模拟量输出给硬件电路，以提供所需电压，并在LCD液晶上显示DA步进值。
（2）采样输出电压、电流并在LCD液晶上显示。单片机通过A/D（ADC0832）对等效负载的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后送液晶屏进行电压、电流的显示。
（3）当电流大于3A时，单片机就会启动过流提示，蜂鸣器发出报警信号，在恒流模式下减小DA输出电压以减小电路电流，实现过载保护。
系统程序流程图如图5所示。
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