模拟电路中最常用的四种基础电路（数控直流电源）

组成人体的最小单元是细胞，所谓万变不离其宗，我们学习电子电路也应该从最基本的电子电路学起，理解其中概念，掌握其中要义。Back2School系列的第五课将通过几组基础电路带你游历电子电路这座大厦——

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壹

滤波电路

顾名思义，滤波电路就是滤除不需要的信号，提取需要的信号。平日生活中使用的空气净化器、净水器都是利用过滤的原理。电子电路的应用环境，特别是工业控制、汽车电子领域，电子电路所处的环境是很复杂的，一方面需要保护好自己，避免被干扰，同时需要“自律”，不要去影响其它电路模块，否则可能导致生产事故、交通事故等。

保护自己与自律，除了电路本身需要足够稳健之外，关键电路还需要设计好滤波器，进入电路模块前过滤掉“杂波”，电路模块工作过程中不可避免也会产生影响其它电路模块的“杂波”，需要在电路模块内部自我“净化”之后再进行输出。

典型的滤波器使用场景是电源滤波器，下图就为实用的滤波电路的设计。

滤波器有有源和无源之分，不需要供电源便可实现滤波效果的是无源滤波器，其中组成滤波器的器件为无源器件，如阻容感及磁珠等。有源滤波器实现功能则首先需要供电，然后才能工作。那么一阶、二阶又是指的什么呢？以净水器为例吧，净水器滤芯都是经过几级过滤的，一般来说级数越高过滤效果越好。滤波器也是一样，阶数代表的是滤波器的滤波效果，阶数越高，过滤的效果越干脆。下图就是不同阶数滤波器的频谱特性：

当输入信号的频率超过某一个频率的阈值时，对应频率的输出信号的幅度将得到衰减，起到过滤信号的效率。我们看到阶数越高的滤波器，过滤效果越接近理想效果，超过截止频率之后的无用信号的幅度被衰减得越厉害！穿插滤波器的基本概念之后，让我们继续回到第一张电源滤波器设计图。输入级的LC滤波器是第一级粗滤，滤除来自外部的噪音，保障电路模块的正常工作状态。如果电路模块本身也会产生较多的噪音，反过来污染电网，则需要一个翻转的LC滤波器，在实际电路设计中，我们可以使用下图所示的Π型滤波器，兼具防噪音输入和防噪音输出之功效。

接着，在电路模块A,B,C..输入端有两个电容，譬如电路模块的输入端放了两个电容C2和C3，一般来说这是容值一大一小的两个电容，譬如C2=10uF,C3=100nF，这其中也有说法。首先，C2和C3的名称不一样，C2叫做去耦电容（亦称退耦电容），C3叫做旁路电容；其次，在Layout设计，C2和C3都需要尽量靠近电路模块，但是作为旁路电容的C3则需要更加的靠近电路模块，可谓“贴近”。

在实际的电路设计过程，我们一般不会刻意地区分或强调去耦电容和旁路电容，实际上两者的作用和价值是一致的，只是精细程度不一样而已，旁路电容和去耦电容同时兼具“储能”和“滤波”的作用。

此处，我们再往深处延伸一点，讲一下去耦和旁路电容。这里就不得不忽略寄生参数的影响了，特别是高频电路，相比于常规的电子电路，研究的就是寄生参数的影响。如果把电源输出直至电路模块整个系统纳入考虑，电源输出与电路模块A之间的导线实际上就是寄生电感。

当电路模块A需要瞬态的电流时，电源模块远水不解近渴，电容C2和电容C3就近快速响应，稍晚些电源模块的电量也会抵达，为电容C2和C3充电。如果此刻，电路模块A突然不需要这么大的电流了，那么导线上的寄生电感里的电流由于惯性还会继续续流，过多的电流则造成了电压尖峰的产生。如上图所示，电压尖峰由寄生电感的感应电动势叠加在电源电压上引起。此时，导线的寄生电感分别与电容C2和C3组成了二阶低通滤波器，衰减了进入到电路模块的噪音幅度，保证了安全。

如果电路模块是主频高速运行于GHZ的SOC系统，则需要把更多、更全面的寄生参数纳入考量，此刻电容的去耦电容和旁路电容的选值与选型不得不借助与仿真工具，然后这一块的计算和分析被称作电源平面完整性分析。有兴趣的同学可自行延伸学习，本节课程不再展开。

总结一下去耦电容和旁路电容：旁路电容需要在电路模块输入端贴身摆放，为高频噪音提供一条低阻抗的旁路，使噪音从旁路离开，这属于“自我防护”；去耦电容需要尽量靠近电路模块摆放，为相对低频的噪音提供旁路，同时更关键的是为电路模块就近提供瞬态的、快速的电流供给，同时消除因负载电流波动对电网的电压的影响，属于“家丑不外扬”。

贰

放大电路

前面详细讲解了电源路径上的滤波器，滤波器除了被广泛地应用于电源端，信号线上也有广泛的需求。

信号线上的滤波器和电源上的滤波器原理是一样的，只是在器件选择上考量的指标侧重点不同，电源上的滤波器必须承受一定的电流能力，会使用在低频段呈现电感特性而高频阶段体现为电阻特性的磁珠和电容的组合。而信号线上的滤波器则没有这样的顾虑，所以信号线的滤波器，最常见的是RC滤波。信号线的滤波器，还被期望兼具信号放大的作用，因此有源滤波器的需求应用而生。

下图就是有源低通滤波器示意图：

如果忽略电容C1的存在，一眼就可以看出来这是典型的比例放大器，输出与输入信号的等式关系是：Vo=-(R2/R1)*Vi，当R2>R1时，输入信号将得到放大。

理想运算放大器的工作原理是“虚短”与“虚断”：“虚短”--> V-=V+=0V，计算得到流经R1的电流为：I1=(Vi-V-)/R1=Vi/R1。

“虚断”意味着没有电流流入运放，流经R1的电流全部流到R2，到达运放输出Vo。I1=I2; Vi/R1=(0-Vo)/R2 ==>Vo=-(R2/R1)*Vi。

这时，如果把C1与R2并联。根据电容C1“隔直通交”的特性，当输入信号为直流信号时，可以忽略电容C1的存在，输出信号依旧是输入信号一定比例的放大；当输入信号的频率逐渐增加时，电容的阻抗越来越低，意味着一定频率的信号会通过电容C1直接到达输出端，并没有得到放大。换句话说，超过一定频率的输入信号将会被衰减（屏蔽了比例放大电路的放大作用），所以这是一款低通滤波器，因为运放工作必须被供电，所以也称之为一阶低通有源滤波器。

运算放大器电路是集成电路，内部是三极管放大电路的集合。因为集成运放放大电路的便利性，我们直接使用三极管作为放大电路的场合已经越来越少。不过，在实际产品里，简易的直流电源里三极管还有一定的用武之地。

上图就是一个简易的直流电源电路，输入电压为8V，输出电压为5V，应用的场合为负载电流较小的场合（数十毫安以下）的低成本直流电源电路，选择齐纳管可获得任意的输出电压(Vo=Vz1-Vbe=5.6-0.6=5V)。C1的作用是消除齐纳二极管Z1的噪声，C2用于降低输出阻抗，增强电源的带载能力。

把上面的直流电源电路改进一下，就会得到带载能力增加的电路，如下图：

因为引入了负反馈的机制。运放的特性是“虚短”，所以它始终有动力维持V+=V-，亦即Vout=VR。

再做进一步的变化，得到下图输出电压可以通过R1和R2配置的简易直流电源电路。实际上，这便是集成的线性稳压器的基本模型。

叁

振荡电路

接着上图继续折腾，得到了数控的直流电源电路，如下图：

PWM信号经过由R3和C1组成的一阶低通滤波器，可以得到平稳的参考电平VR。参考电平的幅度与PMW信号的占空比（Ton/T)成正比，所以只要改变PWM信号的占空比便可以获得不同的参考电平VR，继而得到不同的输出电压Vout。

大家对PWM应该都不陌生了，使用单片机，只要简单的编程便可获得PWM信号。下图是基于单片机的数控直流电源电路，其中PWM由单片机直接产生。

基于上图，只要稍加改动便可以应用于电机控制：

上图增加了一个电机的速度反馈信号，这个速度反馈信号可以通过霍尔感应器或者通过光码盘获取。单片机实时读取电机当前的转速，然后调整电机的输入电压，维持电机的速度稳定。

肆

时钟电路

在讲最后一个时钟电路之前，先把今天所学的内容做一个简单的总结，下面这个图就是三个电路的汇总：

这个图可以用做基于单片机的简易的电机速度控制电路，发现了没，我们上面所讲的三种电路就是这个控制电路的基石，有了他们，可以做出很多不同功能的电路。

在上图中，单片机也要工作，那么时钟电路就如同人的心脏，这是单片机得以工作的基础。一般，时钟电路由晶体振荡器、负载电容以及晶振控制电路组成，控制电路一般内置于单片机）。

在设计时钟电路时，我们一般要注意哪些呢？

Q1是晶振，全称是石英晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来，可以生成频率和峰值稳定的正弦波。而单片机在运行的时候，需要一个脉冲信号，做为自己执行指令的触发信号，可以简单的想象为：单片机收到一个脉冲，就执行一次或多次指令。

在内部方式时钟电路中，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚两端跨接晶振和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。对于外接时钟电路，要求XTAL1接地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号并无特殊要求，只要保证一定的脉冲宽度，时钟频率低于12MHz即可。

硬件设计的基础包含了许多电路，由于时间关系，视频只讲了其中最基础的四种。更多的电路，大家可以在实际项目中学习。