集成电路反向分析范文

导语：如何才能写好一篇集成电路反向分析，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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一、集成电路布图设计的概念

集成电路的布图设计是指一种体现了集成电路中各种电子元件的配置方式的图形。集成  电路的设计过程通常分为两个部分：版图设计和工艺。所谓版图设计是将电子线路中的各个  元器件及其相互连线转化为一层或多层的平面图形，将这些多层图形按一定的顺序逐次排列  构成三维图形结构；这种图形结构即为布图设计。制造集成电路就是把这种图形结构通过特  定的工艺方法，“固化”在硅片之中，使之实现一定的电子功能。所以，集成电路是根据要实现的功能而设计的。不同的功能对应不同的布图设计。从这个意义上说，对布图设计的保护也就实现了对集成电路的保护。

集成电路作为一种工业产品，应当受到专利法的保护。但是，人们在实践中发现，由于集成电路本身的特性，大部分集成电路产品不能达到专利法所要求的创造性高度，所以得不到专利法的保护。于是，在一九七九年，美国众议院议员爱德华（Edward）首次提出了以著作权法来保护集成电路的议案。但由于依照著们法将禁止以任何方式复制他人作品，这样实施  反向工程也将成为非法，因此，这一议案在当时被议会否决。尽管如此，它对后来集成电路保护的立法仍然有着重要意义，因为它提出了以保护布图设计的方式来保护集成电路的思想；在这基础上，美国于1984年颁布了《半导体芯。片保护法》；世界知识产权组织曾多次召集专家会议和政府间外交会议研究集成电路保护问题，逐渐形成了以保护布图设计方式实现对集成电路保护的一致观点，终于在一九八九年缔结了《关于保护集成电路知识产权条约》。在此期间，其他一些国家颁布的集成电路保护法都采用了这一方式。

虽然世界各国的立法均通过保护布图设计来保护集成电路，但关于布图设计的名称却各不相同。美国在它的《半导体芯片保护法，）中称之为“掩模作品”（maskwork）；在日本的《半导体集成电路布局法》中称之为“线路布局”（cir— cuitlayout）；而欧共体及其成员国在其立法中称布图设计为“形貌结构”（topography）；世界知识产权组织在《关于集成电路知识产权条约》中将其定名为布图设计。笔者以为，在这所有的名称中以“布图设计”一词为最佳。“掩模作品”一词取意于集成电路生产中的掩模。“掩模作品”一词已有过时落后之嫌，而“线路布局”一词又难免与电子线路中印刷线路版的布线、设计混淆。“形貌结构”一词原意为地貌、地形，并非电子学术语。相比之下，还是世界知识产权组织采用的“布图设计”一词较为妥当。它不仅避免了其他名词的缺陷，同时这一名词本身已在产业界及有关学术界广泛使用。《中国大百科全书》中亦有“布图设计”的专门词条‘

二、布图设计的特征

布图设计有着与其他客体相同的共性，同时也存在着自己所特有的个性。下面将分别加以论述。

1.集成电路布图设计具有无形性

无形性是各种知识产权客体的基本特性，，因此也是布图设计作为知识产权客体的必要条件。布图设计是集成电路中所有元器件的配置方式，这种“配置方式”本身是抽象的、无形的，它没有具体的形体，是以一种信息状态存在于世的，不象其他有形物体占据一定空间。

布图设计本身是无形的，但是当它附着在一定的载体上时，就可以为人所感知。前面提到布图设计在集成电路芯片中表现为一定的图形，这种图形是可见的。同样，在掩模版上布图设计也是以图形方式存在的。计算机辅助设计技术的发展，使得布图设计可以数据代码的方式存储在磁盘或磁带中。在计算机控制的离子注入机或者电子束曝光装置中，布图设计也是以一系列的代码方式存在。人们可通过一定方式感知这些代码信息。布图设计是无形的，但是其载体，如掩模版、磁带或磁盘等等却可以是有形的。

2.布图设计具有可复制性

通常，我们说著作权客体具有可复制性，布图设计同样也具有著作权客体的这一特征。当载体为掩模版时，布图设计以图形方式存在。这时，只需对全套掩模版加以翻拍，即可复制出全部的布图设计。当布图设计以磁盘或磁带为载体时，同样可以用通常的磁带或磁盘拷贝方法复制布图设计。当布图设计被“固化”到已制成的集成电路产品之中时，复制过程相对复杂一些。复制者首先需要去除集成电路的外封装；再去掉芯片表面的钝化层；然后采用不同的腐蚀液逐层剥蚀芯片，并随时拍下各层图形的照片，经过一定处理后便可获得这种集成电路的全部布图设计。这种从集成电路成品着手，利用特殊技术手段了解集成电路功能、设计特点，获得其布图设计的方法被称为“反向工程”。

在集成电路产业中，这种反向工程被世界各国的厂商广泛采用。集成电路作为现代信息工业的基础产品，已渗透到电子工业的各个领域，其通用性或兼容性对技术的发展有着非常重要的意义。因此，而反向工程为生产厂商了解其他厂商的产品状况提供了可能。如果实施反向工程不是单纯地为复制他人布图设计以便仿制他人产品，而是通过反向工程方法了解他人品功能、参数等特性，以便设计出与之兼容的其他电路产品，或者在别人设计的基础上加以改进，制造出更先进的集成电路，都应当认为是合理的。著作权法中有合理使用的规定，但这种反向工程的特许还不完全等同于合理使用。比如，合理使用一般只限于复制原作的一部分，而这里的反向工程则可能复制全套布图设计。改编权是著作权的权能之一，他人未经著作权人同意而擅自修改其作品的行为是侵权行为，但这里对原布图设计的改进则不应视为侵权。

综之，无论何种载体，布图设计是具有可复制性的。

3.布图设计的表观形式具有非任意性著作权客体的表现形式一般是没有限制的。同一思想，作者可随意采取各种形式来表达，因此著作权法对其表现形式的保护并不会导致对思想的垄断。布图设计虽然在集成电路芯片中或掩模版上以图形的方式存在，具备著作权客体的外在特性，但是其表现形式因受诸多客观因素的限制，却是有限的或者非任意的。

首先，布图设计图形的形状及其大小受着集成电路参数要求的限制。如果要求集成电路  具有较高的击穿电压，设计人在完成布图设计时就必须将晶体管的基区图形设计为圆形，以  克服结面曲率半径较小处电场过于集中的影响。对于用于功率放大的集成电路，其功放管图  形的面积必须较大，使之得以承受大电流的冲击。

其次，布图设计还受着生产工艺水平的限制。为了提高集成电路的集成度或者追求高频 特性，常常需将集成电路中各元件的面积减小。这样，布图设计的线条宽度也相对较细。目前国。外已达到亚微米的数量级。但如果将线条设计得太细，以致工艺难度太大将会大大地降低集成电路成品率和可靠性，这是极不经济的；同样地，如果一味，地追求功率参数，将芯片面积增大，也会降低集成电路的成品率。

此外，布图设计还受着一些物理定律以及材料类及其特性等多种因素的限制。比如，晶体管可能因为基区自偏压效应而导致发射极间的电位不等。为克服基区自偏压效应，则需在加上均压图形。

虽然从理论上讲，突破这些限制条件的图形也可以受到著作权的保护，但由于布图设计的价值仅仅体现在工业生产中，所以对那些完全没有实用价值的、由设计人自由挥洒出来的所谓“布图设计”实施保护是没有任何意义的。这些图形不是真正意义上的布图设计，称其为一种“抽象作品”或许更为恰当。布图设计在表现形式的有限性方面，与工业产权客体相似。

三、布图设计权的特性

从上面的分析可知，集成电路布图设计有其自身的特征，并同时兼备著作权客体和工业产权客体的特性。在立法保护布图设计、规定创作人的布图设计权时，应当考虑这一特点。

首先，布图设计权应具备知识产权的共同特性，即专有性；时间性和地域性。布图设计具有无形性，同一布图设计可能同时为多数人占有或使用。为保障布图设计创作人的利益，布图设计权应当是一项专有权利。另一方面，布图设计的价值毕竟是通过其工业应用才得以实现。仅就一特定的布图设计而言，使用它的人越多，为社会创造的价值就越大。如果布图设计权在时间上是无限的，则不利于充分发挥其对社会的作用，也不利于集成电路技术的发展。所以布图设计权应有一定时间期限。当然，对时间期限的具体规定应当既考虑公共利益，又照顾到创作人的个人权益。只有找到二者的平衡点，才是利益分配的最佳状态。地域性作为知识产权的共性之一，同样为布图设计权所具备，在世界知识产权组织的《关于集成电路的知识产权条约》第三条；第四条和第五条的内容都涉地域问题，这实际上肯定了布图设计权的地域性。

其次，布图设计权还具有其独特的个性。下面将其分别与著作权和工业产权相对照，从而分析其特点。

1.布图设计权的产生方式与著作权不同，只有在履行一定的法律程序后才能产生。集成电路作为一种工业产品，一旦投放市场将被应用于各个领域，性能优良的集成电路可能会因其商业价值引来一些不法厂商的仿冒。另一方面，由于集成电路布图设计受到诸多因素的限  制，其表现形式是有限的，这就可能存在不同人完全独立地设计出具有相同实质性特点的布图设计的情况。这就是说，布图设计具有一定的客观自然属性，其人身性远不及普通著作权客体那样强。所以法律在规定布图设计权的产生时，必须对权利产生方式作出专门规定，否则便无法确认布图设计在原创人和仿冒人之间，以及不同的独立原创人之间的权利归属。

2.布图设计权中的复制权，与著作权中的复制权相比，受到更多的限制。翻开各国集成电路技术的发展史，反向工程在技术的发展中有着不可取代的作用。如果照搬著作权法中关于复制权地规定，实施反向工程将被认为是侵权行为。为了电子工业和集成电路技术的发展，应当对复制权加以一定的限制，允许在一定条件下或合理范围内实施反向工程，美国《半导体芯片保护法》第906条第一款中规定，“仅为了教学、分析或评价掩模作品中的概念或技术，或掩模作品中所采用的电路、逻辑流和图及元件的布局而复制该掩模作品者”；或进行上述的“分析或评价，以便将这些工作的结果用于为销售而制造的具有原创性的掩模作品之中者”均不构成侵犯掩模作品专有权。与此相反，单纯地为复制布图设计而实施反向工程仍为侵权。反向工程是对复制权的一种限制。

3.与工业产权相比，布图设计权产生的实质性条件也有所不同。专利法中“创造性”条件要求申请专利的技术方案具备“实质性特点”，而大多数集成电路达不到这一要求。比如，在设计专用集成电路时，常将一些已为人所熟知的单元电路加以组合，这种拼揍而成的集成电路大多难以满足专利法的创造性要求，这使得大量集成电路得不到专利法的保护，这正是传统专利制度与集成电路这一新型客体之间不协调的一面。所以集成电路保护法在创造性方面的要求不应象专利法要要求那么严，但也不能象著作权法完全不要求任何创造高度要求，因为布图设计的价值毕竟体现在工业应用上。

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关键字：集成运放；差分放大；电压放大；功率放大

1.集成电路运算放大器的内部组成单元

集成运算放大器是一种电子元器件，它是采用一定的制作工艺将大量半导体三极、电阻、电容等元器件及他们之间的连线制作在同一小块单晶体的芯片上，并具有一定功能的电子电路。

输入级由差分式放大电路组成，利用它的电路对称性可提高整个电路的性能；中间电压放大级的主要作用是提高电压增益，它由一级或多级放大电路组成；输出级的电压增益为1，但能为负载提供一定的功率，电路还需要电源供电才可以工作。

2. 集成运放的典型应用

加法器、减法器：由集成运放可以组成加法器、减法器。这二种电路在各种书刊上介绍得比较多，这里不再分析。

仪用放大器：由于各种传感器输出的信号一般比较微弱，所以要用高精度的仪用放大器对微小电平的直流信号进行放大，仪用放大器由减法器拓扑而来的，利用了同相输入端高阻抗的优势。基本的仪用放大器如图2所示，其中：R1＝R3，R2＝R4，Gain＝R2/R1。

滤波器：由集成运放可以组成一阶滤波器和二阶滤波器，其中一阶滤波器有20dB每倍频的幅频特性，而二阶滤波器有40dB每倍频的幅频特性。为了阻挡由于虚地引起的直流电平，在运放的输入端串入了输入电容Cin，为了不影响电路的幅频特性，要求这个电容是C1的100倍以上，如果滤波器还具有放大作用，则这个电容应是C1的1000倍以上，同时，滤波器的输出都包含了Vcc/2的直流偏置，如果电路是最后一级，那么就必须串入输出电容。图3.是典型的低通滤波器，图4是典型的高通滤波器。

方波、矩形波信号发生器：由集成运放构成的方波信号发生器电路如图5 所示, 这里的集成运放器作电压比较器。双向稳压管VDz 的稳定电压为士Uz 。电路的正反馈系数F为。

电路中, 电压比较器的输出电压有高电平和低电平两种情况,即Uo=+Uz(Vp>Vn)或Uo=―Uz(Vp

在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属于偶然。输出电压偏于正向饱和，即Vo=+Vz时，加到电压比较器同相端电压为+FVz，而加于反相端得电压，由于电容C上的电压Vc不能突变，正能由输出电压Vo通过电阻R按指数规律向C充电来建立。显然，当加到反相端的电压Vc略正于+FVz时，输出电压便立即从正向饱和翻转到负饱和，-Vz又通过R对C进行反向充电，知道Vc略负于-FVz值时，输出状态在翻转过来。如此循环不已，形成一系列的方波输出。

锯齿波发生器：它是由同相输入迟滞比较器和充电时间常数不等的积分器共同组成的。

同相迟滞比较器的上下门限和门限宽度为

当电源接通时，有Vo1=――Vz，则-Vz结果R6向C充电，使输出电压按线性规律增长。当Vo上升到门限电压时，使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1由-Vz上跳到+Vz，同时门限电压下跳到值。以后Vo1=+Vz经R6和二极管、R5两条支路向C反向充电，由于时间常数减小，Vo迅速下降到负值。当Vo下降到门限电压使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容的正向和反向充电常数不相等，输出波形Vo为锯齿波形，Vo1为矩形波形，其振荡周期为

当R5、二极管支路开路，电路C的正、负向充电时间常数相等，此时锯齿波变成三角波，其振荡周期为

参考文献：

[ 1] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础( 第三版)[M ]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[2] 李雅轩. 模拟电子技术(第二版)[M].西安电子科技大学出版社.2003.

[3] 毕查德・拉扎维.模拟CMOS 集成电路设计.陈贵灿，程军，张瑞智，等译.西安：西安交通大学出版社，2009.

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【关键词】 实训机床设备;三相异步电动机;缺相起动;缺相运行;缺相保护

随着职业教育的快速发展,我院实训设备不断增加,机床达400余台;学生实训时的机床故障不断增多,特别是电器故障占大多数,其中电源开关的一极接触不良或断开、熔断器一相熔断、接线头接触不良或脱落、定子绕组一相断线等,都会造成三相异步电动机一相断电,称为缺相。本文结合作者的实际工作经验,对常用实训机床电动机的缺项故障进行了探讨。

一、缺相时的物理现象分析

三相异步电动机三相绕组通以三相对称的交流电时产生旋转磁场。当三相异步电动机在缺相时两相绕组串联通以两相交流电时,相当于单相绕组通单相交流电流,产生的磁场是一脉振磁动势,即该磁场轴线位置是固定的,而空间各点的磁势大小随时间变化而变化。脉振磁动势可以分解为两个等幅值、等转速、转向相反旋转的旋转磁动势F和F。这可以用图解法加以说明(如图1所示)脉振磁势的分解可用图示1的空间向量说明,空间向量F表示单相绕组的脉

振磁势,其幅值位置在空间固定不变,大小随时间脉振,在脉振过程中的每一瞬间都可以理解为两个旋转向量的相量相加,而且这两个向量大小相等、转速相同、转向相反,当脉振磁势的幅伯达最大时.两个旋转磁势的向量位置恰好与脉振磁势的向量重合或同相。这两个反向的旋转磁势F+和F-在空气隙中建立正转和反转磁场φ和φ。这两个旋转磁场切割转子导体,并分别在转子导体中感应电动势和感应电流。该电流与磁场相互作用产生正向和反向的电磁转矩T+和T--。T+企图使转子正转;T-企图使转子反转。这两个转矩叠加即为推动电动机转动的合成转矩T。

不论是T+还是T-它们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况一样的。若电动机沿正转磁场方向的转速为n,则对正转磁场而言,转差率S+=(n1一n}/ n1=S,而对反转磁场而言,转差率S-=(一n1一n}/ 一n1=2一S,即当S+= 0时,相当于S-= 2;当S=0时,相当于S+= 2 。T+和T-与S的关系曲线(如图2中两条虚线所示)三相异步电动机缺相状态下的T= f(S)曲线为T+= f( S)和T-=f (S)两条特性曲线叠加而成的。从图2可知,当转子静止时,正反向旋转

磁场以等速n 和反向切割转了绕组,在转了绕组中感应出大小相等而相序相反的电动势和电流,它们分别产生大小相等而方向相反的两个电磁转矩,使合成的电磁转矩为零。即n=O, S= 1,T=T++T-=0,说明没有起动转,因此三相异步电动机缺相时不能起动。这是因铁芯中有磁通,所以发出“嗡嗡”声响。

如果人为的使电动机转子向正常方向转动,正向磁场与转子的转差率S 处在10的范围,产生的转矩是正的,它拉着转子继续转动,此时是动力转矩;而反向磁场与转子转差率S 处在12的范围,产生的转矩是负的,它阻碍转子的转动,此时是制动转矩,只不过此时制动转矩较小,电动机有可能继续转动。

当有人使电动机转子反方向转动时,则正向磁场与转子的转差率S+处在12的范围,产生的转矩阻碍转子的转动,它成为制动转矩;反向磁场与转子转差率S-在10的范围,产生的转矩有助于转子的转动,它成为动力转矩,使电动机继续反转。由此可见,在这种情况下,电动机向两个方向转动的可能性从图2的曲线也可看出,只要电动机向某方向转动,S≠0时,动力转矩总是大于制动转矩,电动机能继续转动。至于能否在起动后升至额定转速,这取决与机械负载转矩与合成转矩T的大小之间关系,如果合成转矩大于负载转矩,则能。反之,则不能。

三相异步电动机在运行中,由于某种原因引起一相断电,此时电动机处于缺相运行,电动机转子上作用着两个电磁转矩,一个正向转矩拉着转子要使其继续转动,另外出现一个反向转矩起制动作用,使总的合成转矩减小,但只要电动机的电磁合成转矩还大于机轴上的阻力转矩时,电动机还是可以继续转动的,但是转速变慢。一般说来,假如三相异步电动机在缺相前以额定负载运行,并且电动机在正'常状况时的最大转矩倍数(最大转矩/额定转矩)大于2。那么在缺相后电动机将能继续运行。

如果三相正常运行的电动机带额定负载,一相断电后仍带同样的负载运行,转子电流和定子电流都将增大,此情况下约增大根号3倍。由于电流增大,转子损耗和定子损耗都会增加,电动机易过热,威胁定子绕组的绝缘,严重时甚至烧毁电动机。

由于反向旋转磁场的存在,三相异步电动机在缺相运行时定子电流中的无功分量增加,因而功率因数较低,效率也比三相运行时低。

二、三相异步电动机电源缺相保护

三相异步电动机电源缺相错相保护电路如图3所示。该保护电路采用一块厚膜集成电路TH221A组成三相电动机缺相和错相保护电路,不需要使用互感器,可直接通过降压电阻降压后,直接接上380V电压。通电后该装置处于工作状态,三相异步电动机起动时,三个降压电阻分别将三相异步电动机的信号通过TH221A厚膜集成电路1,3,5输入端送给取样电路,经过取样电路进一步降压和变换,再送给缺相判断电路和相序逻辑鉴别电路进行判断。

当相序正确且无缺相时,功率放大电路不工作,接在TH221A厚膜集成电路14和16脚绿色发光二极管发光,表示相序正确且无缺相,电动机运行正常。当相序不正确或有缺相时,相序逻辑鉴别电路或缺相判断电路将有信号输出,此时功率放大电路开始工作,它将相序逻辑鉴别电路或缺相判断电路送来的信号进行放大,并控制外接的直流继电器KA,使三相异步电动机的供电电源断电,同时接在TH221A集成电路15脚的红色发光二极管发光,表示相序有错误或有缺相情况发生。排除故障后,电动机方可正'常运行。外接的直流继电器KA和TH221A集成电路所要的直流电源,是相电压经电容降压、全波桥式整流、滤波、经电阻分压后,供给直流继电器和TH221A集成电路的,因此,整个保护装置线路简单,外接元器件少,可靠性高。由于TH221A厚膜集成电路将取样电路、相序逻辑鉴别电路、缺相判断电路、功率放大电路集于一体,因此性能可靠.而且外部接线比转简单。

三、结束语

三相异步电动机在缺相条件下无法自行起动,是因单相脉动磁场不能产生起动转矩,即起动转矩为零。运动状态下缺相的三相异步电动机,由于转矩不为零和较正'常时减小,因此有时能继续运行,但转速变慢,这不仅影响正'常生产,而且定、转子的温升会剧增,威胁绝缘甚至烧毁电动机,因此在使用或维修机床时应密切注意三相电流以防缺相,必要时应装设电源缺相保护装置,确保实训设备正常运行及快速维修。

参考文献

[1]欧阳三泰.三相异步电动机电源缺相错相保护电路电气应用

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关键词：集成施密特触发器；输出电平；焊接；工作电压

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)8(S)-0056-3

人教社版《物理》选修3－2第六章“传感器”是“新课标”教材中新增内容，它体现了《课程标准》对科学、技术与社会的密切联系［1］。本章教学强调通过实验，让学生体验传感器在现代技术中的应用。由于是新增内容，学校实验室缺少有关的实验器材，教师也缺乏经验，难以开展实验教学。我发现用容易买到、在日常生活中常用的声光控延时开关，经简单改装可以完成本章的许多实验。现将几个精彩的例子奉献给同行。

1 声光控延时开关电路分析

市面上销售的声光控延时开关灯座，虽然牌子众多外形不尽相同，但其内部电路都相同。其内部电路如图1，原理是：交流220V电压经灯泡ZD后，由D1～D4组成的整流桥整流，电阻R1、R10分压，电容C1滤波后，在其两端产生12V左右的直流电压，给控制电路供电。

光线较亮时，光敏电阻（CdS）的阻值较低（在路测约1.2kΩ），使集成施密特触发器IC（TC4081BP）的1脚呈低电平；又由于R6、R8电阻分压后，为三极管BG1（9014）的b极提供了正偏电压，BG1一直处于饱和导通状态，其c极（IC的2脚）为低电平，使IC的3脚输出高电平，4脚输出低电平，二极管D5反偏截止，使IC的10脚输出高电平，IC的11脚输出低电平，可控硅WCR因没有触发信号而截止，灯泡不亮。

在晚上光线较暗时，光敏电阻的阻值变大使集成块IC的1脚呈高电平；但由于话筒MIC没有声音输入，三极管BG1极处于导通状态，其c极仍为低电平，所以IC-1、IC-3仍输出高电平，IC-2、IC-4仍输出低电平，灯泡ZD不亮。当有声音或脚步声时，话筒MIC将声音信号转变成电信号，通过电容C2耦合到三极管BG1的b极，使BG1瞬间截止，IC的2脚为瞬间高电平，又因IC的1脚为低电平，在IC的4脚输出高电平时，经二极管D5向电容C3充电。同时IC的11脚输出高电平，经电阻R2和R3分压后，产生一个2V左右的触发信号，使可控硅WCR导通，灯泡ZD发光。此时若外部没有声音信号输入，三极管BG1导通，IC的3脚输出高电平、IC的4脚输出低电平，二极管D5反向截止，电容C3通过电阻R9开始放电，由于电阻R9的阻值较大，放电电流很小，电容C3上所充电压要间隔一定时间才能放完。这样就使IC-3、IC-4保持原输出电平，等电容C3放电结束后，IC的8、9脚为低电平，经IC-3非门反相后促使IC-4也输出低电平，从而使可控硅WCR在电源电压过零时截止，切断灯泡ZD的电源回路，达到了灯泡发光延时自动关断的目的。

集成施密特触发器的型号很多，除了74LS14、74LS00外还有HFC40839E、TC4081BP等，他们的封装形式引脚排列完全相同。

2 应用实例

（1）光控开关演示实验，教材71页。做法是：

方法一：用电烙铁和12号注射器针头，将GB1的集电极悬空，然后用导线将集成电路的2脚接地（与7脚相连），改动后的电路如图2，这样声控电路就不工作了，集成施密特触发器的2脚恒为低电平，光敏电阻得到光照时1脚为低电平，11脚输出低电平灯不亮。用手遮住光敏电阻时1脚为高电平，11脚输出高电平可控硅导通灯泡点亮。

改动后的电路如图2，虚线表示改动的线路。

方法二：考虑安全性，断开交流电路，改用学生电源供电。具体做法是：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，将12V学生电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）在IC的3脚与BG1的集电极间反向接入12V的发光二极管（3）其它做法同方法一。

改动后的电路如图3，虚线表示新增加的元件，图4是改动后的等效电路。方法一的好处是：电路改动少，可以用原电路的可控硅控制灯泡，与实际应用相符。缺点是：电路板上有220V的交流电压。方法二的优点是与教材上原理一致，但改动稍多些。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）用针头与烙铁将IC的3脚、BG1的集电极、光敏电阻一端悬空（3）在IC的1与7之间，2与7之间分别串联一开关，IC的3脚与7脚之间串入一电压表。使用时将开关断开是高电平、闭合时低电平。

改动后的电路如图5，图6是其等效电路。

（3）用示波器观察话筒的工作，教材62页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚（2）用针头与烙铁将IC的2脚悬空，（3）准备一只10μF电解电容器，将BG1的集电极用导线与电容器的正极相连、负极与示波器的Y输入相连，发射极与示波器的地相连。

改动后的电路如图7，图8是改动后的等效电路图，这样可以利用三极管的放大作用使示波器上的波形更清晰。

（4）演示三极管的放大作用，教材74页。

步骤：（1）用针头与烙铁将R1的任意一端悬空，12V电源的正极连接至IC的14脚，负极连接至IC的7脚，为集成电路IC提供工作电压（2）悬空BG1的基极，串入灵敏电流表，悬空IC的3脚，悬空R7的任意脚串入电流表。（3）悬空R8任意脚换接一100KΩ的可调电阻。

图9是改动后的等效电路图，改造后的电路可以免去教材上提供的实验电路需要两组电源的麻烦（见物理选修3－272页图6.5－5），看似麻烦其实容易。

以上四个实例只是针对教材对声光控延时开关电路的开发利用，声光控延时开关电路中的施密特触发器有四个非门，还可以开发出许多实验电路，如“简单的逻辑电路”的“与”“或”“非”门，就可以用施密特触发器组合而成，又如通过增加热敏电阻、电磁继电器、光电耦合器等元件，可完成本章大多数实验教学。上述的四个实例的制作过程，用文字表述看上去有些繁琐，其实只是悬空几个元件的引脚，焊上几个元件或导线，只要会使用烙铁就能顺利操作，并不麻烦。市面上销售的声光控延时开关灯座价格便宜，笔者从小摊贩那里购得的灯座只要4元钱，因此实验成本低廉易于实现。

篇5

控制电路可靠性的高低和使用的元器件关系很大，并不是越贵越好，应该根据使用环境去选择最合适的元器件[6]。在一般情况下，以保证控制电路的基本功能为前提，可以按照以下几点要求设计。1）尽可能选用数字元器件，少用或者不用模拟器件；多选用集成度较高的器件，少用集成度较低的器件；尽量使用功耗小的元器件。2）尽量选用质量等级高的器件，将继电器、开关等器件的使用数量降至最低。3）选用无源器件，尽量少使用有源器件。5）应该根据介质损耗、频率、耐压、容量变化以及温度系数等指标选择电容。少用铝电解电容器；6）不选用未经设计定型的新研元器件、已停产或将要停产的电子元器件。7）在确定合适的器件后，在使用时应符合降额设计的要求，不同的器件，降额的方法是不同的[7]。基本方法如下：①电阻的降额方法是降低功率比；②电容是降低工作电压；③半导体器件的降额方法是降低工作功耗；④数字集成电路则通过降低周围环境温度和电负荷来降额。

2电路可靠性设计

2.1电源保护电路设计

场监雷达控制电路的供电电源可能传输距离较远，为了减少线路上的衰减，应采用较大电压（12V以上）的直流电源输入，同时在控制电路的电源输入点进行相应的保护设计，如图2所示。因为12V电压较大，防止出现短路时对电路造成较大伤害，故在输入端串联自恢复保险丝。控制电路一般需要5V和3.3V的电源品种，所以采用LDO器件进行电压转换。因为5V电压会输出到其他接口，在极限情况下会因为外界的影响导致电压出现波动，而添加稳压二极管2CW5232可以对电路起到保护作用。稳压二极管工作于反向击穿区，当稳压二权管两端的反向电压在—定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，流过稳压管的反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。在该电路中，采用了双电容串联设计，因为电容损坏后的失效模型大多表现为短路，当电容损坏后，另一电容仍然可以起到滤波的作用。

2.2输入信号的隔离设计

控制电路为了避免被监测部件对自身的影响，对输入信号均采用光耦进行隔离，如图3所示。在信号输入端，为了对自身进行保护，利用二极管的单向导电性，对输入电平进行了限位设计。如图4所示。二极管具有正向导通，反向截止的特性，利用这种特性，对输入端的电平进行限位。当正常工作的时候，两个二极管都处于截止状态，当电压不再正常范围内时，其中一路二极管会导通，将电平拉到正常范围内，可对板内的器件起到保护作用。

2.3控制信号的冗余设计

控制电路负责雷达的天线转动，发射开关机等关键控制，误操作会带来严重的后果，所以可靠性显得尤为重要，根据二极管的PN结较大，不易被击穿的特点，采用二极管来实现输出信号的冗余设计，具体设计如图5所示。从FPGA的两个引脚中输出同一信号，经过驱动后，分别通过两个二极管后并联在一起，通过一个下拉电阻（等效阻值为10kΩ）后，输出给被控制件，具体分析如下：1）正常工作时，双路同时输出到一点，因为二极管的单向导电性，从最大程度上阻止了输出端的电流倒灌，保护了接口芯片；2）当并联输出的两路，任何一路发生断路时，二极管的正向压降不足以使二极管导通，则该路的二极管一直处于截止状态，同时，另外一路可正常工作。3）当并联的两路任何一路发生短路时，并且为低电平时，该路的二极管的正向压降不足以使二极管导通，则该路的二极管一直处于截止状态，同时，另外一路可正常工作。4）当并联的两路任何一路发生短路时，并且为高电平时，该路的二极管一直处于导通状态，输出恒为高，造成的结果就是机箱监控一上电，该路的输出电平恒为高，此时会出现故障。在这种情况下，可通过回读到FPGA里的信号判断出哪路发生故障，并对相应故障路的buffer器件使能信号进行自动关闭，同时另外一路可以进行正常的控制。5）综上所述，本电路只有在两路同时故障时，输出才会表现为故障，相对于单路输出控制电路，实现了热冗余设计，可靠性大大提升。

3结束语

篇6

伍水梅 广东省国防科技技师学院 广州同和 510515

【文章摘要】

电源是电路的核心，是电子电路制作过程中必不可少的设备。一个好的直流稳压电源能让电路制作事半功倍，效果显著。一般直流稳压电源由变压器、整流、滤波、稳压等几个部分组成。本文介绍了一种简单实用的直流稳压电源的制作。

【关键词】

直流稳压电源；变压器；整流；滤波； 稳压；7806

【Abstract】

Power which is the core of the circuit is the essential equipment for making electronic circuit. It will get twice the result with half the effort if a good DC power is supplied for the production of circuit.Generally speaking,DC power supply is mainly composed of transformer, rectifying,filtering and voltage-stabilizing. This article describes a simple and practical construction of DC power supply.

【Keywords】

DC Regulated Power Supply;Transformer; Rectifying;Filtering;Voltage-stabilizing; 7806

0 引言

科技在不断进步，人们对小型电器的需求越来越大，但不管是那种电器设备， 电源都是必不可少的，而且越是高端的电器，对电源要求越是严格。电源技术核心是电能变换与处理，广泛应用于教学、科研等领域，而直流稳压电源是电子技术中常用的仪器设备之一，几乎所有家用电器和其它各类电子设备都在使用直流稳压电源，它占着举足轻重的位置，是大部分设备与电子仪器的重要组成部分，是电子科技人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。但实际生活中通常是由 220V 的交流电网供电， 直流电源需要通过电源系统将交流电转换成低电压直流电以供给各类电器设备使用。

直流稳压电源对电路调试、电路制作有决定性的作用，一个好的直流稳压电源，能让工作事半功倍。直流稳压电源系统主要由变压、整流、滤波和稳压四部分电路组成，其原理和制作过程比较简单， 如图1 所示。本文主要介绍一个能提供+6V、+1A 的串联型直流稳压电源的制作过程。

1 合适变压器的选择

变压器作为一个降压元件，主要是将初级电压（市电220V）转换为电路所需压降。根据电路要求提供+6V、+1A 的直流电源，所以在选择变压器的次级电压和次级电流时应适当增大，原则上次级电压应在所需电压的基础上多加3V，即次级电压应选6V+3V=9V，而次级电流应在所需电流的基础上乘以1.7 倍，即1.7A ；变压器的功率P 是初级线圈P1 和次级线圈功率P2 之和的一半，即：

P=（P1+P2）/2，

按照所选择的电压可计得：

P2=U2×I2=9×1.7=15.3W

P1=P2/ （0.8 ～ 0.9）=18W

这样可以选择变压器的参数是功率为18W，初级输入电压220V，次级输入电压9V。变压器应进行基本检测，如初级、次级线圈的分辨，最常用的方法有两个： 第一种是根据线圈电压与线圈匝数的比值V1:V2=n1:n2 可知线圈细的那边应为初级线圈（输入端）；另一种方法是用万用表的电阻档比较两线圈的电阻值，阻值较大的那一端为初级线圈（输入端）。

2 整流电路的配备

整流电路的主要作用是利用二极管的单向导通特性将变压器输出的交流电压转换为脉动直流，是直流形成的第一站，它所提供的电压比最大输出电压值

图4.2 1ms 调频周期信号频谱 要略高，所以在选用四个二极管时要注意耐压值应比变压器的次级输出电压大3 倍以上，耐流值应略大于变压器的次级电流。按照变压器所取的数据：U2=9V、I2=1.7A，所选取的二极管耐压应大于27V，耐流值最小应等于变压器的次级电流。二极管需要承受较大的反向电压，假如二极管反接，将会造成二极管损坏，电路无法工作等严重后果，因此安装前要对二极管进行检测，确保极性。二极管的检测：用万用表测量二极管的正反向电阻， 根据二极管的单向导通特性可以轻易的判断出小电阻的那次黑笔所接是正极，红笔所接是负极；对于外观完好的二极管也可以从银色圈圈在哪边从而判出负极。

3 选用不同的电容器实现滤波

滤波电路是利用电容器将整流电路所输出的脉动直流存在的交流成份滤掉， 使输出波形变得平滑。不同类型的电容器有着不同特性，在电路中能起不同作用， 因此不同的电路应该选择不同的电容器； 但不管何种电容器，在电路中承受的电压都不能超过它自身的耐压值，否则电容器将受到损坏，甚至产生“放炮”现象。根据变压器的次级电压等于9V，选择电容器的耐压值应为1.42 U2，即13V，电容器的容量应为（1500 ～ 2000）I2 （I2 为变压器次级电流），即电容器可选用3300 ～ 4700μF 的。在本文所设计的电路中，前面的滤波电容C1 可适当选大到3300μF 以上，稳压出来的滤波电容C2 就要相对减小，可选择几十微法的。利用万用表的电阻档检测电容的好坏，判断电容有无短路、断路和漏电等现象：按电容量的大小用万用表不同的电阻档，红、黑表笔分别接电容器的两引脚，在表笔接通瞬间观察表针的摆动，若表针摆动后返回到“∞”，说明电容良好，且摆幅越大容量越大；若表针在接通瞬间不摆动，则说明电容失效或断路； 若表针在接通瞬间摆幅很大且停在那里不动，说明电容已击穿（短路）或漏电严重；若表针在接通瞬间摆动正常，只是不能返回到“∞”，说明电容有漏电现象。对电解电容更要分清楚正负极，避免反接。

4 稳压电路的研制

稳压电路是当电网电压波动或负载发生变化时，能使输出电压保持稳定的电路。根据电路的连接方式可分为并联型直流稳压电源和串联型直流稳压电源。并联型直流稳压电源所用元器件少，较经济；输出短路时元器件不易损坏，但效率低，调压范围小，负载变化容易引起输出电压的变化，适用于负载电流变化不大或极易发生短路的场合。相比之下串联型直流稳压电源可用在负载变化较大，稳压性能要求较高，输出电压可调等场合，所以建议安装串联型直流稳压电源。常用的稳压元件有稳压管、LM317、CW78××× （CW79×××）。

稳压管是特殊加工而成的二极管，和普通二极管一样具有单向导通特性，主要工作于反向击穿区，起稳压作用，通常并在负载两端使用。当它两端所加的反向电压达到反向击穿电压时，管子导通，电流急剧上升，达到稳压效果。只用稳压管工作的稳压电路一般较简单，性能也较差， 适用于输出电流不大，稳压要求不高的场合。为改善稳压效果，稳压管常会和复合管一起用，但稳压效果还是不理想。

LM317、CW78×××（CW79×××） 同属三端集成稳压器，都是将稳压电路通过半导体集成技术压制在一块半导体芯片中形成集成稳压电路[9]。LM317 是一种常用的三端可调稳压集成电路，输出电流为1.5A，输出电压可在1.25 － 37V 之间连续调节，调整使用方便。CW78××× 系列为输出正电压的固定式三端稳压器， CW79××× 系列为输出负电压的固定式三端稳压器，两者都包含了输入、输出、公共接地端三个引出端，具有限流和热保护的功能，且根据后序××× 不同各有不同的的输出电压和输出电流，第一个“×” 代表额定电流--- 字母L 表示输出电流为100mA，字母S 表示输出电流为2A， 没有字母表示输出电流为1A ；后面两个×× 表示额定电压---05 表示额定电压为5V，12 表示额定电压为12V，如此类推。根据要求，本文选用7806 集成稳压器（如图5 所示），其额定电压+6V，输出电流1A ；若是79S12 则额定电压为-12V，输出电流2A。在使用所选IC 前，应注意区分7806 的三个管脚和判断其好坏。区分管脚时可将三端稳压器正面竖起来面对自己， 从左到右依次为输入端、接地端、输出端， 使用加电压法测试三端稳压器好坏，在7806 的1 脚和2 脚按极性加上直流电压（9—35V），用万用表测3 脚和2 脚的电压， 如果所测电压数值与稳压值相近（大小不超出2V），则说明稳压器性能好。

5 附加电路的选用

根据电路的要求不同，也为了让电路能更好的工作，可以在原电路的基础上增加一些冗余电路，如电源指示电路，输出电压显示电路，散热电路等。

当电路完成后应重新检查一次所有元器件，如二极管的方向、电解电容的极性、集成电路的各管脚等，在检查无误后则可以进行通电调试，接通开关后若指示灯显示正常，则+6V、1A 直流稳压电源即可正常使用，其原理图如图2 所示。

6 结束语

通过对直流稳压电源的分析制作，总结出直流稳压电源的制作应从选材入手， 根据电路要求进行电路设计。只要认真扎实的进行制作，就能从中悟出很多有关直流稳压电源的制作技巧，使一些积累问题迎刃而解，推导出开关型稳压电路、串联反馈式稳压电路、输出正负电压可调的稳压电路等的制作，提高创作水平。

【参考文献】

[1] 田智文. 一种带有保护电路的直流稳压电源的设计[D]. 西安：西安电子科技大学，2011

[2] 孟祥印，肖世德. 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计[J]. 微计算机信息，2005，21（1）： 154-155，180

[3] 金钊. 直流稳压电源的性能测试与优化[D]. 威海：山东大学，2012

篇7

随着集成电路微型化，超大规模集成化的要求，线宽已经发展到纳米级，掺杂工艺非离子注入莫属。如何精确控制结深，剂量，消除电荷积累对器件的损伤成为离子注入机设备和工艺改进的关键。本文将通过对离子注入机的特点、原理及应用的探讨对现今的离子注入机的设备参数和工艺关联问题进行论述。

一、离子注入机的原理

（一）离子注入机的组成

离子注入机由离子源、离子束聚焦部分、靶室及终端台三个主要部分构成。此外，还包括质量分析器、加速器和四级透镜，以及反向偶合电子器。

（二）离子注入机的工作原理

离子注入机运作原理是：当某种离子束射向固体材料的时候，因为高速的撞击，致使固体表面的分子或是原子的偏离，在一定角度下，粒子束会嵌入到固体材料一定深度，使被注入固体材料由于注入他种材料的离子形成新的共价键结构而发生了性变，这样的过程就叫做离子注入。离子机就是运用这样的原理实现半导体器件所需各种特性的目的。

集成电路制程中离子注入机起着极其重要的作用，尤其是制造的前期工序。作为关键设备，离子注入机运行中的各项参数、与产品质量有着密不可分的关联，由于既涉及设备又涉及工艺，往往让从业人员无所适从，因此备受关注。

二、离子注入机设备和工艺质量改进

离子注入机运行中的各项参数，对工艺质量有着极强的关联性，只有了解和懂得参数对应的工艺问题，才能有效的调整设备和工艺菜单，达到高品质的工艺改进。

我们可以从以下几个方面入手：

（一）设备的改进

离子注入机的改进应从真空，离子源和离子束三个主要部分着手。

离子注入机的高真空有三个基本区段，离子源腔体，粒子束腔体和工艺腔体，由于离子源腔体由于有高温通常用扩散泵来实现高真空，近来由于发现扩散泵的泵油气体会部分影响离子源的纯净，后改进用低温冷泵通过管道偏装隔热实现高真空，已经被广为采用。而工艺腔体的真空直接影响到工艺稳定性而被高度重视，因此改用大口径的低温冷泵来实现稳定的高真空，离子注入起始真空指的就是工艺腔体的真空。

离子源是产生参杂离子的发生器，如何保持灯丝与离子腔高阻隔离，灯丝材料对灯丝的寿命影响，灯丝形状对电子发射以及提高撞击杂质分子几率都至关重要，前两者直接关联离子源保养的次数，提高设备的利用率，第三者直接关联离子产生几率。现代从业者已经广泛采用改良型的长寿命灯丝提升设备的使用效率。

离子束的控制影响产品参杂纯净，工艺时间长短，以及电荷积累的消除等非常重要的环节，它包含有质量分析器、加速器和四级透镜，以及反向偶合电子器。

质量分析器通过偏转磁场过滤掉大部分不需要的杂质离子，从而保证离子的纯净，如何保证其偏转通道的干净和畅通是关键。加速器决定参杂能量，定期校正是必须的。反向耦合电子器往往被业者人士忽略，在低束低能量低剂量参杂时，它的作用不明显，但在高剂量高能量注入时，由于目标靶不能及时释放电荷而在硅片表面产生电荷积累，形成电压，会对元器件造成电路击穿。因此必须采用反向电子耦合器发出的电子来中和掉积累的电荷。

此外还有为了测定离子束的大小而使用的法拉第系统。控制注入角度的机械控制系统等类似的许多装置都是为了实现相应的功能而存在的。

设备高真空度发挥着很大的作用。当真空度过低的时候，离子束就不会达到要求，会影响离子注入的速度，进而使得设备内离子的纯净度受到影响，当真空度低于要求时，测定结果通常电阻下降；当真空度太高一方面影响设备使用效率，另一方面测定结果电阻上升。最后的结果就是工艺参数得不到满足。通过生产实践和工艺结果证明，现代注入起始真空度需要达到4×10-6Torr以上，此时的真空度就算比较理想。

（二）工艺技术的改进

离子注入工艺技术人员必须明确掌握注入机设备参数与工艺结果的一一对应关系，在编辑工艺菜单时，反复试验每一种工艺需求，比如：产品实际需要的注入能量（对应结深），注入剂量（对应电阻率），起始注入真空度（对应设备效率，间接影响电阻率），调整所需的反向电子电流（过大过小都会损伤产品），设备特殊参数的监控（SPC），防止参杂物质的相互污染，参与产品从零件到成品的所有环节，为了提高产品质量，技术人员的能力、态度可以说是问题的源泉。首先，能够进入该团队，说明都是一些有能力之人。因此，在具备相关知识能力的基础上，工作人员应该端正自己的态度，杜绝粗心大意，防微杜渐，将来可能出现的问题，潜在因素扼杀在孕育的过程中。

其次在产品检查的时候，常常会因为检查人员的检查力度，从而忽略很多的细节，为了防止工作中的随意性导致的一系列问题，应该设立与之相关的条文，这样有利于提高工作人员的积极性，防止因人而异所造成的质量失控。

（三）其他方面的改进

除了工作人员和设备本身的问题，影响离子机质量的原因还包括：法则、物料和环境。其中法则就包括在整个制造过程中，使用的工艺指导书、工序指引、生产产品使用的模型图纸、相关的标准以及在操作过程中的规程等等。离子注入机设备精密，因此，在生产过程中要遵循相应的规章制度，不能有丝毫差错的。走好每一步，才能生产出完美的产品

设备的稳定性是衡量工业产品质量的一大标准。而环境对设备的稳定性有着极大的影响。设备周围的温度、湿度和清洁度等环境问题也应该受到关注和改进。

参考文献

[1] 国防工业出版社；高能离子注入机的三极加速装置[J]；微细加工技术；1985年03期.

[2] 林义鹏；离子注入机均匀性的改进设计[D]；电子科技大学；2010年.

[3] 张亨金；Q235低碳钢表面纳米化及离子注入的研究[D]；太原理工大学；2006年.

[4] 胡代群；大角度离子注入机垂直扫描机构的设计[D]；湘潭大学；2007年.

[5] 北京中科信电子装备有限公司副总经理 肖仁耀；二手离子注入机翻新遭遇挑战[N]；中国电子报；2005年.

作者简介

篇8

【关键词】传输门逻辑；CMOS门逻辑；NMOS管；PMOS管

1.引言

21世纪是信息科学的世纪，电子科学与技术是信息科学发展的基础学科。半导体集成电路作为电子科学与技术的核心，是电子类相关专业的重要基础课程。而半导体集成电路这门课程中，静态逻辑电路[1-3]这一块又是比较重要的一部分。静态逻辑电路分为静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。现有的绝大多数教材表明传输门逻辑电路的理解设计方法和静态CMOS逻辑电路的理解设计方法是不一样的。人们总结出了的一套设计静态CMOS复合逻辑门电路的通用方法[3]，其步骤如下：

（1）调整布尔代数式（也叫逻辑关系式），使得输出为负逻辑。

（2）当逻辑关系式为“或”时，PMOS管串联，NMOS管并联。

（3）当逻辑关系式为“与”时，PMOS管并联，NMOS管串联。

（4）改变尺寸可调整速度或输入阈值。而对于传输门逻辑[3]，其理解和设计的方法是二叉判决图BBD。这两类方法不统一，给学生在理解和设计逻辑电路造成很大的麻烦。本论文提出一种能够简易地理解传输门逻辑和静态CMOS门逻辑的方法。运用这种方法，学生也可以简易地设计传输门和静态CMOS逻辑电路。

2.方法

下面我们介绍一下这个方法。我们这个方法分为如下三个部分：

（1）对于单个NMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“与”。逻辑表达式为。图1显示了单个NMOS管。根据NMOS管高电压通、低电压阻的特性，我们可以得到。

（2）对于单个PMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“非”的“与”。逻辑表达式为。图2显示了单个PMOS管。根据PMOS管高电压阻、低电压通的特性，我们可以得到。

（3）对于两个MOS并联而言，总的输出等于各个MOS输出的“或”。我们以两个NMOS管并联说明这种情况。图3显示了两个NMOS并联的情形。我们可以得到：

3.结果和讨论

（1）我们先用上述的方法来理解静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。

首先看CMOS反相器，图4显示了CMOS反相器的示意图。从图4中我们可以看出对于输出VOUT，PMOS管和NMOS管是并联的关系。利用上述的方法，我们可以得到PMOS管和NMOS管的漏极分别为和，所以。可以看出我们的方法对于理解简单的CMOS反相器逻辑是适合的。

我们再来理解一个复杂一点的两输入的异或门静态CMOS逻辑电路。图5显示了静态CMOS异或门逻辑电路示意图。运用我们的方法，我们可以得出：对于P网，有、、、。对于N网，有、、、、。所以，。可以看出我们的方法能够简单的理解较为复杂的两输入静态CMOS异或门逻辑电路。我们有理由相信对于理解更为复杂的静态CMOS逻辑电路，我们的方法同样适用。

理解完了静态CMOS逻辑电路，我们在来看看传输门逻辑电路。图6显示了一个基于CMOS传输门构成的同或门逻辑电路。运用我们的方法，我们可以得出：、、、、、、。因为前面我们已经理解了CMOS反相器，所以图6中我们直接用反相器逻辑功能。可以看出我们的方法可以很简单的理解传输门逻辑电路。从图6我们也可以看出，对与CMOS传输门，其逻辑功能跟随NMOS传输门。

我们再来理解一个全加器中静态的曼彻斯特进位电路。图6显示了全加器中静态的曼彻斯特进位电路示意图。运用我们的方法，可以得到：

、、、、。可以看出，按照我们的方法，正确的理解了全加器中静态的曼彻斯特进位电路的逻辑表达式。

（2）运用我们的方法来设计静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。

我们首先来设计一个静态CMOS逻辑电路。设计静态CMOS逻辑电路就是理解静态CMOS逻辑电路逆过程。我们以逻辑表达式为例来设计静态CMOS逻辑电路。参考上面讲述的运用我们的方法理解静态CMOS逻辑电路的过程可知，首先要将逻辑表达式写成如下形式：

这一项是对应静态CMOS电路的P网，而这一项是对应静态CMOS电路的N网。观察这两项，反向运用我们的方法，可知在P网中下面是栅极输入由C控制的PMOS管，再下面是并联的两个栅极信号分别由A和B控制的PMOS管。而在N网中，对应的是串联的两个栅极信号分别由A和B控制的NMOS管，这两个串联的NMOS管再与栅极信号由C控制的NMOS管并联。由上述分析可知逻辑电路图如图7所示。

其次运用我们的方法设计一个静态传输门电路。以异或门为例，其逻辑表达式为。运用我们的方法，得知一个两输入的“与”相使用一个MOS管，而“或”代表两个MOS管并联。如果使用两个NMOS管并联，电路图如图8所示。由图8可知，使用NMOS管的话还要两个反相器才能完全实现“异或”功能。如果使用两个PMOS管并联，电路图将更为简单，可以省略两个反相器，电路图如图9所示。

在学习静态传输门逻辑电路时，我们知道静态传输门逻辑相比与静态CMOS逻辑电路而言有一个优势就是：输入不同，逻辑功能也不同。实际上在这个优势背后有个不变的本质，这个本质就是本教学论文提出的理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。

4.结论

本教学论文提出一种能简易地理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。这种方法基于对NMOS管“高通低阻”和PMOS管“低通高阻”的电学特性的充分理解。我们的方法统一的静态CMOS逻辑电路和静态传输门逻辑电路，便于学生的理解和学习。

参考文献

[1]张延庆，张开华，朱兆宗.半导体集成电路[M].上海：上海科学技术出版社（第2版），1986.

[2]朱正涌，张海洋，朱元红.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社（第2版），2009.

篇9

[关键词]单片机及集成电路，电表设计

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0381-02

为了让用户在使用电表方面更加方便，为此设计了一款方便迅捷的电度表。一般传统设计的电表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给电力部门和用户带来极大不便，也造成了用户和电力部门的纠纷。因此我设计了利用单片机作为控制器的IC卡预付费式电度表，而且微控制器和大规模集成电路在电能计量领域的广泛应用，也使的这一设计更加合理化。同时本设计作为一种智能化的家居电气，也给人们生活带来了诸多的便利，这无疑促使它在现在的生活节奏中更具有优势。

1 系统主要硬件电路设计

1.1 有功电能测量的基本原理

电度表由分压器取得电压信号，电流互感器取得电流采样信号，经乘法器得到电压电流乘积信号，再经频率变换产生一个频率与电压电流乘积正比的电能计量脉冲，就容易计量处电能。

电度表采用了专用集成电路SM9903.SM9903芯片包含四象模拟乘法器、积分器、电压/频率转换器VFC、计数器（分频器）及控制逻辑。

在正弦稳态情况下，设正弦电压和电流分别为：

式中，u为交流电压瞬时值，i为交流电流瞬时值，U为交流电压有效值，I为交流电流有效值，为交流电的角频率，=u-i为电压电流的相位差。

经四象限模拟乘法器相乘后的瞬时功率为：

（3）

可见，瞬时功率有恒定分量UI和正弦分量两面三量两面三刀部分，正弦分量的频率是电压（或电流）频率的两倍

瞬时功率p经积分器后，得有功功率P，即

P= （4）

以上分析表明，有功功率P为恒定分量，将正比于P的电压经V/F变换后，输出的是频率随P变化的脉冲，只需将脉冲累计计数，则计数值N即为电能。

1.2 预付费电度表工作电路基本原理

预付费电度表的硬件电路可分为、控制电路、显示电路、IC卡接口、电能存储器、掉电检测和电源几大模块。

1）电能计量电路

电能计量电路采用电子电度表专用集成电路SM9903.

用SM9903构成的电路计量如图1：

在上图中，采用340μΩ的锰通篇为电流采样电阻，用精密金属作为电压采样电阻。C4、R17、VD1、VD2、C8、C9、VZ1、VZ2为电容降压示电源，为SM9903提供±5V的工作电压。32768HZ为表用晶体振荡器，为SM9903提供时钟。C6、C7为积分容。R8为参考电压整电位器。

2）IC卡接口电路

IC卡接口电路采用存储IC卡AT24C01，用于存储由售电管理系统写入的密码、卡号、电度数等，是电管部门与用户连接的桥梁。为了提高IC卡操作的可靠性，必须有卡上下电控电路、卡插入检测电路、卡短路检测电路等辅助电路，结合软件可以大大提高其读写的准确性和可靠性。

3）显示电路

本系统采用液晶显示器，其特点是显示内容丰富（可显示汉字），功耗低，可靠性高，电路简单。器件型号是：SMG12232B-2，显示容量为122*32点阵。采用总线方式连接。

4）电能存储器

电能存储器是由串行EEPROM和上拉电阻组成，电路如下图，在串行时针和数据接上拉电阻R25和R27，分别连接到IC4的P3.0和P3.1端，串行EEPROM选用AT24C04，AT24C04为低电压（2.5―5.5V），长寿命（可擦写十万次以上）器件。在`掉电时存储剩余电度数。

5）掉电检测电路

掉电检测电路由比较器（运放LM393）、电压基准LM336（2.5V）、R31、R32、R33、R34、R35、R36和二极管VD7组成，电路如图

R31为VZ3提供合适的工作电流，VZ3上端作为电压基准，R32、R33对电压分压，与Vz做比较。电源电压正常时，V-V+时，比较器输出低电平，使微处理器产生外中断，做掉电处理（将剩余电能存入EEPROM中）。VD7、R36为施密特电路，是为了避免电压在阀值左右波动引起反复的写操作。

6）磁保持继电器驱动

磁保持继电器能使电磁线圈中保持上次驱动脉冲所注入的磁场不便，即在正常工作时不需要加驱动电流，只在需要改变触点状态时加上200ms的反向脉冲即可。随后不需要任何驱动。这就大大节省了能量，降低了消耗。

磁保持继电器由AT89C52的P1.0、P1.1发出控制信号，P1.1为高电平时线圈中有正向电流，P1.0为高电平时线圈中有反向电流。驱动电路由R21、R45、R47、R48、R49、R50、PNP三极管VT1、VT4，三极管VT5、VT6、VT7、VT8组成。L为电磁线圈。

当P1.1=1、P1.0=0时三极管VT4、VT7、VT8导通，而VT1、VT5、VT6截止。流经L的电流方向为+12VVT4的E极VT4的C极线圈的B端线圈的A端VT7的C极VT7的E极地，继电器触点接通；

当P1.1=0、P1.0=1时三极管VT4、VT7、VT8截止，而VT1、VT5、VT6导通。流经L的电流方向为+12VVT1的E极VT1的C极线圈的A端线圈的B端VT6的C极VT6的E极地，继电器触点断开。

当P1.1=P1.0=0时，所有三极管均截止，线圈无电流。当P1.1=P1.0=1是不允许的情况，因为这时所有的三极管均导通，功耗很大。

系统软件程序设计主要包括：主程序设计、IC卡检测及读写程序、掉电保护程序设计等.

2 总结

通过这次的课程设计，认知到了自己对单片机应用很多方面的不足.在实际的运用中，很多知识对自己来说都是陌生的.不过通过这次的设计，让我的知识也增加了不少，对论文的书写有了更好的认知.更重要的是对单片机有了更加深刻的理解.在查找的大量书籍和资料中获取了很多的知识.

本设计有着许多的优点，比如说计量准确，精度高，IC卡保密性好，可以知道你剩余的电量，已用电量，而且在不足时候会提醒用户及时充值，而且具有相当好的保护措施.

当然本设计也有着一些不足之处，例如抗干扰性不强，而很多的硬件损坏，以及系统失效都是由于各种干扰引起的，很多干扰来自电源，而电源由于电压的稳定性有着必然的联系.而在软件方面，当微处理器收到干扰时，程序指针PC会出错，因为MC-51的系统指令二字节、三字节指令较多，运行到程序区时，将操作数当成操作码执行，会造成混乱；跳到非程序区时，很有可能陷入某种循环不能出来，这也是本设计的不足之处.

总的来说本设计还是相当实用的，我也在其中获得了很多的指导，我相信这次的设计会对我今后的工作有帮助的，我也相信我的毕业论文会做的更好.

参考文献

[1] 阎石.数字电子技术基本教程.北京：清华大学出版社，2007.

篇10

关键词：Pierce 晶体振荡器；自动增益控制；低功耗

1 引言

最近几年，随着无线通讯系统的迅猛发展以及半导体产业的兴盛，射频集成电路的研究得到了广泛重视。低成本，低功耗的无线收发终端的设计已成为一个重要的研究课题。频率综合器是无线收发器的一个重要模块，而压控振荡器（VCXO）又是频率综合器中最核心的组成部分。目前，包括无源电感和无源电容在内的无源器件已经可以实现片上解决，采用CMOS工艺，将整个射频前端集成在芯片内，已经成为业界研究的热点。本文基于负阻分析模型，设计了一种4MHz 石英晶体振荡器，具有较好的相位噪声性能和较低的功耗，除石英晶体外，电路全部集成在射频芯片内作为锁相环路的高精度频率参考源。

2 Pierce 石英晶体振荡器的基本结构

由于Pierce 结构的在晶体振荡器稳定性和容易起振方面优于Colpitts 振荡器，故选用Pierce 电路结构，如图1（a）所示，C1、C2 与外接晶体谐振器接于芯片外部晶体振荡器XTAL 的两端，构成谐振回路，NMOS 管M0 是放大管。图1（b）是相应的小信号等效电路图，其中电感Ls、串联电容Cs、并联电容Cp、电阻Rs 构成晶体谐振器XTAL 的等效电路。晶体的串联谐振频率f2S=1/（2π*LSCS）和并联谐振频率fP2=1/（2π*LS）（1/CP+1/CP），为了使振荡器有良好的稳定性和预测性，应该使振荡频率接近串联谐振频率[1]。晶体振荡器必须满足两个条件才能振荡，振荡器的环路增益必须大于1。振荡器的相移必须等于0，相移由反向放大器和晶体的相移组成。通过网络分析仪测试我们得到该石英晶体模型的各个参数为：Cm=20fF，Lm=79.157mH，Rm=50Ω，C0=7pF。后面我们电路设计的性能优化全部基于这个石英晶体模型。

3 带自动增益控制的Pierce 振荡器

由于低功耗和频率稳定性的考虑，石英晶体振荡器一般包括晶体振荡器电路，反向放大器，偏置电路和峰值检测器，采用了自动增益控制（AGC）技术，晶体当前的增益由闭环回路自动控制，峰值检测电路比较参考信号和振荡信号大小，产生一个反馈信号控制偏置电路，进而控制反向放大器的增益，单纯使用偏置电压稳定电路的静态工作点是不够的，因为放大管还会受到电源电压下降等带来的影响，还要同时考虑提供偏置电流。如果采用固定电流源给放大管提供电流，由于跨导必须大于起振条件，会造成功耗的浪费，因此引入自动增益控制电路，引入AGC 结构，起振之后，随着振幅的增加，通过反馈来调节放大管的电流，使电流不但可以独立于电源电压的变化，而且可以随着振幅的变化而反向变化，平衡后MOS 管工作在亚阈区，形成更为合理的静态工作点的控制方式。图2 中M0 是放大管，M1，M3，M5 构成电流偏置电路，电阻Rf跨接在M0 的栅漏之间，作为M0 的自偏置，取值200kΩ。刚起振的时候通过M1 镜像的电流很大，M0 栅上的直流电压较大，使得M0的漏电流很大，通过M4 与M2 的镜像作用，使得流经放大管M3 的漏电流较大，M3 管的增益很大。当振荡器开始工作时，振幅逐渐变大，通过R2，C2，C4 的滤波作用，也就是使得M2 栅压下降，电流减小，通过M5 管与M1 管的镜像作用，使得流经放大管M0 的漏电流减小，最后达到平衡状态。这样构成负反馈，通过AGC 限制晶体振荡器输出波形的振幅，从而自动调整电路的工作点，提高了稳定性，减小了功耗。R4，M6 构成启动电路，M2，M3，M4，M5，R3 构成简单的与电源无关的电流产生电路。采用自动增益控制的一个最主要的优点在于可以避免由于石英晶体的过驱动引入的谐波失真，当石英晶体的两端电压过大时，会加大谐波分量，引入自动增益控制电路，可以启动时加大电流，在稳定振荡后，减小电流，一方面保证正常启动，同时可以减小振动幅度，提高频谱纯度，延迟石英晶体的老化。

图2 本文设计的晶体振荡器电路图

4晶体振荡器芯片系统电路结构及原理

文中所设计的晶体振荡器芯片系统框图如图3所示，其基本工作原理为：OSC振荡电路以噪声作为起振的原始激励信号，输出稳定的正弦信号；OSC_BUFFER振荡输出缓冲电路对前一级输出的正弦信号进行放大整形，得到占空比为50%的方波信号；分频电路对输出的方波信号进行频率调整，以得到适合不同频率信号源；频率调整后的方波信号通过高性能的输出缓冲电路，提高芯片的带负载能力，为各种电子系统提供准确的频率基准源。

图3 晶体振荡器芯片系统框图

5 测试结果

晶体振荡器电路采用了0.18um CMOS 工艺流片，经过测试，采用示波器观察晶振两端输出波形。电路稳定振荡在4.0051MHz 上，波形全摆幅为866mV，具有较大的振幅和较好的抗干扰能力。

6 结论

本文成功地设计了一款低功耗、输出高稳定性的晶体振荡器芯片，测试结果显示，频率精度较高，振荡稳定性好，而且版图面积较小，满足射频接收芯片系统要求。

参考文献：

[1] 陈建立，傅金，朱培生，张波. 一种高精度高稳定性振荡器的设计[J]. 微电子学. 2011（01）.

[2] 曾健平，王阆，何先良，叶英，谢海情. 石英晶体振荡器的集成化设计[J]. 微电子学与计算机. 2009（02）