1.2 能够看懂电路图
电子技术爱好者都喜欢搞一些电子制作,既可在实践中提高自己的技术水平和动手能力,又可取得实实在在的成果。当我们确定了一个电子制作项目后,首先要看懂它的电路图,这是进行制作的前提。
1.2.1 电路图的种类
广义的电路图概念包括电路原理图、方框图、电路板图以及实物图等。通常所说的电路图是指电路原理图。
(1)电路原理图
电路原理图由各种特定的抽象符号和字符组成,是一种反映电子设备中各元器件的电气连接情况的图纸。通过电路原理图,我们可以详细了解电子设备的电路结构、工作原理和接线方法,还可以进行定量的计算分析和研究。电路原理图是电子制作最重要的依据。
例如,图1-13所示为调频无线话筒电路原理图,它用抽象的符号反映出调频无线话筒的电路结构与工作原理。
图1-13 调频无线话筒电路原理图
(2)方框图
方框图由方框、线条和说明文字组成,是一种概括地反映电子设备的电路结构与功能的图纸,有助于我们从整体上了解和研究电路原理。
例如,图1-14所示为调频无线话筒的方框图,它简明地反映出调频无线话筒的电路组成和各部分功能。
图1-14 调频无线话筒方框图
(3)电路板图
电路板图由写实性的电路板线路、相应位置上的元器件符号和注释字符等组成,是一种反映电路板上元器件安装位置和布线结构的图纸,为实际制作提供了很大的方便。
例如,图1-15所示为调频无线话筒的电路板图,它是根据电路原理图设计绘制的实际安装图,标明了调频无线话筒各元器件在电路板上的安装位置。
图1-15 调频无线话筒电路板图
(4)实物图
实物图由写实性的元器件图形和连接线条等组成,是一种用实物图形形象地表示电路原理图的图纸,可以帮助初学者较好较快地理解电路图。
例如,图1-16所示为调频无线话筒的实物图,它形象地反映出调频无线话筒各元器件的连接关系。
图1-16 调频无线话筒实物图
1.2.2 电路图构成三要素
一张完整的电路图是由若干要素构成的,这些要素主要包括图形符号、文字符号、连线以及注释性字符等。这些要素是绘制和解读电路图的基础语言,必须有统一的规定,这个规定就是国家标准。因此,熟悉并牢记国家标准规定的电路图符号,是看懂电路图的基础。
(1)图形符号
图形符号是构成电路图的主体。图形符号是指用规定的抽象图形代表各种元器件、组件、电流、电压、波形、导线和连接状态等的绘图符号。
调频无线话筒电路图中,各种图形符号代表了组成调频无线话筒的各个元器件。例如,小长方形“”表示电阻器,两道短杠“”表示电容器,连续的半圆形“”表示电感器等。各个元器件图形符号之间用连线连接起来,就可以反映出调频无线话筒的电路结构,即构成了调频无线话筒的电路图。
(2)文字符号
文字符号是构成电路图的重要组成部分。文字符号是指用规定的字符(通常为字母)表示各种元器件、组件、设备装置、物理量和工作状态等的绘图符号。
文字符号的作用是进一步强调图形符号的性质,同时也为分析、理解和阐述电路图提供了方便。调频无线话筒电路图中,文字符号“R”表示电阻器,“C”表示电容器,“L”表示电感器,“VT”表示晶体管等。
在一张电路图中,相同的元器件往往会有许多个,这也需要用文字符号将它们加以区别,一般是在该元器件文字符号的后面加上序号。例如在调频无线话筒电路图中,电阻器有两个,分别以“R1”、“R2”表示;电容器有三个,分别标注为“C1”、“C2”、“C3”;晶体管有两个,分别标注为“VT1”、“VT2”。
常用元器件的图形符号和文字符号见表1-1。
表1-1 常用元器件的符号
(3)注释性字符
注释性字符也是构成电路图的重要组成部分,是指电路图中对图形符号和文字符号作进一步说明的字符。
注释性字符用来说明元器件的数值大小或者具体型号,通常标注在图形符号和文字符号旁。例如调频无线话筒电路图中,通过注释性字符我们就可以知道,电阻器R1的数值为1kΩ,R2的数值为1.2kΩ;电容器C1的数值为10μF,C2的数值为10pF,C3的数值为20pF;电感器L的数值为0.3μH;晶体管VT1、VT2的型号均为9018。
注释性字符还用于电路图中其他需要说明的场合。由此可见,注释性字符是我们分析电路工作原理,特别是定量地分析研究电路的工作状态所不可缺少的。
1.2.3 电路图的画法规则
除了规定统一的图形符号和文字符号外,电路图还遵循一定的画法规则。了解并掌握电路图的一般画法规则,对于看懂电路图是必不可少的。
(1)电路图的走向
电路图的走向是指电路图中各部分电路,从最初的输入端到最终的输出端的排列方向。由于各种电路图的结构功能和复杂程度千差万别,电路图的走向也不尽一致,但是仍存在一些基本的规则。
大多数电路图的走向通常为从左到右,即将先后对信号进行处理的各个单元电路,按照从左到右的方向排列,这是最常见的排列形式。例如,图1-17所示超外差收音机电路方框图,其走向就是典型的从左到右排列。无线电信号从左边天线W处输入,依次经变频、中放、检波、低放、功放,最后从右边扬声器BL处输出声音。也有些电路图采用从上到下的排列方向。
图1-17 超外差收音机电路方框图
反馈电路是将输出信号的一部分或全部,反过来送回到输入端。因此,电路图中反馈电路的走向与主电路的走向相反。如果主电路的走向为从左到右,则反馈电路的走向为从右到左。如果主电路的走向为从上到下,则反馈电路的走向为从下到上。例如,超外差收音机电路方框图中,自动增益控制电路(AGC)是一个反馈电路,其走向为从右到左,与主电路从左到右的信号走向相反。
某些较复杂的电路图,由于某种原因,在总体符合以上规则的情况下,部分电路作了逆向的安排,这也是常见的,但通常会用箭头符号指示出电路走向。例如,图1-18所示电子钟电路方框图中,为了符合人们看图时的“时”、“分”、“秒”的视觉习惯,就采用了从右到左、从下到上的非常规的电路图走向。
图1-18 电子钟方框图
(2)图形符号的位置与状态
国家标准中对电路图的图形符号只给出了一个基本图形,在实际应用中往往根据具体需要对这些基本图形符号变换方向和位置。包括以下几种情况。
一是图形符号的方位变换。元器件图形符号在电路图中的方位可以根据绘图需要放置,既可以横放,也可以竖放;既可以朝上,也可以朝下;还可以旋转或镜像翻转。例如,NPN晶体管符号在电路图中就可以有多种方位的画法,如图1-19所示。
图1-19 晶体管的方位变换
二是集中画法与分散画法。有些元器件包括若干组成部分,在电路图中可以根据需要采用集中画法或分散画法。
例如,某些元器件具有多个同时动作的部件,如波段开关、多组触点的继电器等。以多组联动的波段开关为例,既可以把各组开关集中画在一起,并用虚线相连表示联动,如图1-20(a)所示;也可以把各组开关分别画在它们控制的电路附近,而用文字符号“S1-1”、“S1-2”、“S1-3”表示它们是同属S1的多组联动开关,如图1-20(b)所示。
图1-20 波段开关的画法
某些元器件包含若干个独立单元,这种情况以集成电路为多,如双功放、四运放、六反相器等。以双功放集成电路为例,图1-21(a)所示为集中画法,图1-21(b)所示为分散画法。
图1-21 集成电路的画法
一般来讲,较简单的电路图多采用集中画法,较复杂的电路图通常采用分散画法。
(3)操作性器件的状态
开关、继电器等具有可动部分的操作性器件,在电路图中的图形符号所表示的均为不工作的状态。即开关处于断开状态,如图1-22所示。继电器处于未吸合的静止状态,其常开触点处于断开位置,其常闭触点处于闭合位置,如图1-23所示。
图1-22 开关的状态
图1-23 继电器触点的状态
(4)集成电路的画法
集成电路内部电路一般都很复杂,包含若干个单元电路和许多元件,但在电路图中通常只将集成电路作为一个元器件来看待。因此,几乎所有电路图中都不画出集成电路的内部电路,而是以一个矩形或三角形的图框表示之。
集成运算放大器、电压比较器等,习惯上用三角形图框表示,如图1-24所示。其左侧直边有正、负两个输入端,其右侧三角形顶点处为输出端,三角形图框的顶点方向即为信号的流向。
图1-24 三角形图框表示集成电路
集成稳压器、时基电路等,习惯上用矩形图框表示,各引出端均标注有引脚编号,如图1-25所示。引脚编号可以标注在矩形图框外,如图1-25(a)所示;也可以标注在矩形图框内,如图1-25(b)所示;还可以标注在矩形图框上,如图1-25(c)所示。矩形图框上的各个引脚可以按顺序排列,如图1-25(c)所示;也可以根据绘图需要不按顺序排列,如图1-25(b)所示。其他各类集成电路,绝大多数都采用这种矩形图框表示法。
图1-25 矩形图框表示集成电路
集成电压放大器、集成功率放大器等,既有用三角形图框表示的,也有用矩形图框表示的。图1-26所示为集成功率放大器的两种画法,图1-26(a)中集成功放IC1采用三角形图框,图1-26(b)图中IC1采用矩形图框,两者形式不同,实质一样。从看图的角度来说,放大器采用三角形图框表示,信号流向更明了直观。
图1-26 集成功率放大器的两种画法
数字集成电路一般采用分散画法,直接用逻辑图形符号表示。门电路、触发器等,都采用这种画法,如图1-27所示。其他数字集成电路,目前仍有较多的采用矩形图框来表示,并在各引脚处标注出该引脚的逻辑功能文字符号,图1-28示出了一个BCD码/十进制码译码器的例子。
图1-27 数字电路的画法
图1-28 译码器的画法
(5)连接线的表示方法
连接线是电路图中的重要组成要素,熟悉连接线的表示方法是看懂电路图所必须的基础知识。
元器件之间的连接导线在电路图中用实线表示。导线的连接与交叉的画法如图1-29所示,图1-29(a)中横竖两导线交点处画有一圆点,表示两导线连接在一起。图1-29(b)中两导线交点处无圆点,表示两导线交叉而不连接。
图1-29 导线的连接与交叉
连接导线也可以用简化的画法。图1-30中IC1与IC2之间的连线上画有3道小斜杠,表示这里有3条导线分别将IC1与IC2的A与A、B与B、C与C连接在一起,而这3条导线之间并不连接。
图1-30 导线的简化画法
当连接导线的两端相距较远、中间相隔较多的图形区域时,可以采用中断加标记的画法。例如图1-31中,IC1的B端与IC2的G端之间的连接导线采用了中断画法,并在中断的两端标注有相同的标记“a”,分析电路图时应理解为两个“a”端之间有一条连接导线。
图1-31 导线的中断画法
(6)非电连接的表示方法
某些元器件之间具有非电的(例如机械的)联系,则用虚线在电路图上表示出来。图1-32所示收音机电路图中,虚线将电位器RP与开关S联系起来,表示电源开关S受音量电位器RP的旋轴控制,它们是一个联动的带开关电位器。
图1-32 非电连接的画法
(7)电源线与地线的表示方法
电源线与地线是电路图的重要组成部分,它们有一些约定的表示方法。电路图中通常将电源线或双电源中的正电源引线安排在元器件的上方,将地线或双电源中的负电源引线安排在元器件的下方,如图1-33所示。
图1-33 电源线与地线
一般情况下接地符号是向下引出的,但有时出于绘图布局上的需要,接地符号也可以向上、向左或向右引出,如图1-34所示。
图1-34 地线的方向
较复杂的电路图中往往不将所有地线连在一起,而代之以一个个孤立的接地符号,如图1-35(a)所示,应理解为所有这些地线符号是连接在一起的,如图1-35(b)所示。
图1-35 地线的两种画法
有些电路图中的电源线也采用这种分散表示的画法,应理解为所有标示相同(例如都是+9V)的电源线都是连接在一起的。
通常电路图中不画出集成运放以及数字集成电路的电源引线,因为这不影响分析电路功能,但分析电源电路和实际制作时不能忘记其电源引线,如图1-36所示。
图1-36 集成电路的电源线
1.2.4 元器件的标注方法
元器件的标注是指电路图中对元器件型号或元器件数值的标注,其标注方法具有一些约定的规则。元器件型号直接注明。元器件数值一般用简略的形式标注在元器件符号旁边,数值包括数量和计量单位两部分,其中数量部分由阿拉伯数字和表示倍数的词头字母组成,计量单位为字母符号。
(1)元器件型号的标注方法
电路图中元器件的型号一般用字符直接标注在元器件符号旁边。例如调频无线话筒电路图中,在晶体管VT1、VT2旁标注有注释性字符“9018”,即表明VT1、VT2的型号均为9018。
(2)电阻值的标注方法
电阻器和电位器阻值的基本计量单位是欧姆,简称欧,用字母“Ω”表示。常用单位还有千欧(kΩ)和兆欧(MΩ),它们之间的换算关系是:1MΩ=1000kΩ,1kΩ=1000Ω。
电路图中标注时一般可省略单位符号“Ω”。例如,5.1Ω的电阻器可标注为“5.1Ω”,也可标注为“5.1”或“5R1”;6.8kΩ的电阻器标注为“6.8k”或“6k8”;1MΩ的电阻器标注为“1M”;如图1-37所示。
图1-37 电阻器的标注
对于可变电阻器,电路图中所标注的是其最大阻值。如图1-38所示,“10k”表示该可变电阻器的最大阻值为10kΩ。
图1-38 可变电阻器的标注
对于电位器,电路图中所标注的是其固定两端间的阻值。如图1-39所示,“4.7k”表示该电位器上下两固定引出端之间的阻值为4.7kΩ。
图1-39 电位器的标注
(3)电容量的标注方法
电容器容量的基本计量单位是法拉,简称法,用字母“F”表示。由于法拉作单位在实际运用中往往显得太大,所以常用微法(μF)、纳法(nF,也称作毫微法)和皮法(pF,也称作微微法)作为单位。它们之间的换算关系是:1F=106μF,1μF=1000nF,1nF=1000pF。
电路图中标注时一般省略单位符号“F”,2.2μF的电容器标注为“2.2μ”或“2μ2”;47μF的电容器标注为“47μ”;如图1-40所示。
图1-40 电容器的标注
对于可变电容器和微调电容器,通常标注出其最大容量,也有标注出其最小/最大容量的。例如,图1-41(a)表示可变电容器C1的最大容量为270pF;图1-41(b)表示可变电容器C2的容量调节范围为7~270pF。
图1-41 可变电容器的标注
(4)电感量的标注方法
电感器电感量的基本单位是亨利,简称亨,用字母“H”表示。在实际应用中,一般常用毫亨(mH)或微亨(μH)作单位。它们之间的换算关系是:1H=1000mH,1mH=1000μH。
电路图中标注时通常直接写明电感量,例如,1.5mH的电感器标注为“1.5mH”;3μH的电感器标注为“3μH”;如图1-42所示。
图1-42 电感器的标注
对于可调电感器,电路图中所标注的一般是其中间电感量。如图1-43所示,“0.3mH”表示该可调电感器的中间电感量为0.3mH,并可在一定范围内调节大小。
图1-43 可调电感器的标注
1.2.5 看电路图的方法步骤
电子设备的功能不同,其电路图的简繁程度也不同。简单的电路图只有一个单元电路、几个元器件,复杂的电路图往往包含许多单元电路、成千上万个元器件。要看懂各种电路图,就需要掌握基本的看图方法与技巧。
总的来说,看电路图应遵循从整体到局部、从输入到输出、化整为零、聚零为整的思路和方法,用整机原理指导具体电路分析、用具体电路分析诠释整机工作原理。通常我们可以按照以下步骤识读和分析电路图。
(1)了解电路整体功能
一个电子设备的电路图,是为了完成和实现这个设备的整体功能而设计的。看电路图的第一步,就是搞清楚电路图的整体功能,这样就在宏观上对该电路图有了一个基本的认识。
电路图的整体功能可以从设备名称入手进行分析。例如,直流稳压电源的功能是将交流220V市电变换为稳定的直流电压输出,如图1-44所示。超外差收音机的功能是接受无线电台的广播信号,解调还原为音频信号播放出来,如图1-45所示。红外无线耳机的功能是将音响设备的声音信号调制在红外线上发射出去,再由接收机接收解调后还原为声音通过耳机播放,如图1-46所示。
图1-44 直流稳压电源
图1-45 超外差收音机
图1-46 红外无线耳机
(2)判断电路图走向
根据电路图的整体功能,找出整个电路图的总输入端和总输出端,即可判断出电路图的走向。下面我们以集成电路无线话筒电路图为例,介绍看电路图的基本方法与步骤。
集成电路无线话筒电路图如图1-47所示。无线话筒的功能是将话音信号调制到高频信号上发射出去,话筒BM为总输入端,天线W为总输出端,从总输入端到总输出端即为电路图的走向,各单元电路按照从左到右的方向依次排列。
图1-47 集成电路无线话筒电路图
(3)划分单元电路
一般来讲,晶体管、集成电路等是各单元电路的核心元器件。因此,我们可以以晶体管或集成电路等主要元器件为标志,按照信号处理流程方向将电路图分解为若干个单元电路,并据此画出电路原理方框图。方框图有助于我们掌握和分析电路图。
集成电路无线话筒电路图可分解为3个单元电路:一是由驻极体话筒BM等构成的话音信号接收电路,其功能是将话音信号转换为电信号。二是由晶体管VT等构成的音频放大电路,其功能是对BM输出的音频信号进行放大。三是由集成电路IC等构成的高频振荡与调制电路,其功能是产生高频载频信号并完成调频调制,如图1-48所示。
图1-48 集成电路无线话筒方框图
(4)分析电路工作过程
通过以上两步分析,我们对无线话筒电路已有基本的了解,即可对照电路图和方框图,对无线话筒电路原理作系统的分析。
电路工作过程如下:话音信号被驻极体话筒BM接收转换为电信号后,通过耦合电容C1输入到晶体管VT基极。R1为BM的负载电阻。晶体管VT等构成电压放大器,将C1耦合过来的音频信号放大后,经C2耦合输出。R2为基极电阻,R3为集电极电阻。集成电路IC等构成高频振荡器,振荡频率由L、C4串联谐振回路决定,C4是微调电容,用于调节振荡频率。C3为反馈电容。C2耦合过来的音频信号对高频振荡信号进行频率调制,调频信号经C5耦合至天线W发射出去。
(5)分析直流供电电路
电路图中通常将电源安排在右侧,直流供电电路按照从右到左的方向排列。集成电路无线话筒的直流工作电源是6V电池,R4、C6和稳压二极管VD构成稳压电路,以提高电路工作的稳定性。S为电源开关。
至此,集成电路无线话筒电路图基本分析完毕。读者可以灵活运用以上所述看图知识和方法,通过实践不断提高自己的看图本领。
1.2.6 单元电路的看图技巧
如果把元器件比做细胞,那么单元电路就是器官,电路图的整体功能是通过各个单元电路有机组合而实现的。掌握了各种单元电路的分析方法和技巧,就能够看懂整个电路图。
单元电路种类众多,可分为放大电路、振荡电路、滤波电路、调制与解调电路、电源电路等类型,它们各自具有独特的作用与特点。
(1)放大电路的作用与特点
放大电路的作用是对输入信号进行放大,常见的放大电路有电压放大器、电流放大器、功率放大器等。
放大电路的输出信号幅度是输入信号幅度的若干倍,其他特征不变。其中,同相放大器输出信号与输入信号相位相同,反相放大器输出信号与输入信号相位相反,如图1-49所示。电压跟随器可理解为放大倍数等于“1”的放大器。衰减器可理解为放大倍数为负数的放大器。
图1-49 放大电路
放大电路的结构特点是具有一个输入端和一个输出端,在输入端与输出端之间是晶体管或集成运放等放大器件,如图1-50所示。有些放大器具有负反馈。如果输出信号是由晶体管发射极引出,则是射极跟随器电路。
图1-50 放大电路的结构
差动放大器的结构特点是具有两个输入端(正输入端和负输入端)和一个输出端,如图1-51所示。集成运放IC的输出端与反相输入端之间接有一反馈电阻R3,使IC工作于线性放大状态,输出信号是两个输入信号差值的A倍。
图1-51 差动放大器的结构
(2)振荡电路的作用与特点
振荡电路的作用是产生信号电压,包括正弦波振荡器和其他波形振荡器。
振荡电路的结构特点是没有对外的电路输入端,晶体管或集成运放的输出端与输入端之间接有一个具有选频功能的正反馈网络,将输出信号的一部分正反馈到输入端以形成振荡。
图1-52(a)所示为晶体管振荡器,晶体管VT的集电极输出信号,由变压器T倒相后正反馈到其基极,T的初级线圈L1与C2组成选频回路,决定电路的振荡频率。
图1-52(b)所示为集成运放振荡器,在集成运放IC的输出端与同相输入端之间,接有R1、C1、R2、C2组成的桥式选频反馈回路,IC输出信号的一部分经桥式选频回路反馈到其输入端,振荡频率由组成选频回路的R1、C1、R2、C2的值决定。
图1-52 振荡电路的结构
(3)滤波电路的作用与特点
滤波电路的作用是限制通过信号的频率,分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
滤波电路的输入信号中只有符合要求的特定频率部分能够到达输出端,不符合的部分则被滤除。例如,高通滤波器只允许频率高于转折频率fo的信号通过,低通滤波器只允许频率低于转折频率fo的信号通过,带通滤波器只允许频率处于高低转折频率f2与f1之间的信号通过,带阻滤波器只允许频率低于低端转折频率f1或高于高端转折频率f2的信号通过,如图1-53所示。
图1-53 滤波电路的特性
滤波电路的结构特点是含有电容器或电感器等具有频率函数的元件。有源滤波器还含有晶体管或集成运放等有源器件,在有源器件的输出端与输入端之间接有反馈元件。由于电感器比较笨重,有源滤波器通常采用电容器作为滤波元件,如图1-54所示。
图1-54 滤波电路的结构
高通滤波器电路中电容器接在信号通路,低通滤波器电路中电容器接在旁路或负反馈回路,带通滤波器在信号通路和负反馈回路中都有电容器。
(4)调制与解调电路的作用与特点
调制电路的作用是将信号电压调制到载频上,调制方法包括调幅、调频和调相。解调电路的作用是从已调载频中解调出信号电压,检波电路和鉴频电路都属于解调电路。
调制电路一般具有两个输入端和一个输出端,两个输入信号分别是调制信号和载频信号,输出信号是含有输入调制信号信息的载频信号。图1-55(a)所示为调幅电路示意图,图1-55(b)所示为调频电路示意图。
图1-55 调制电路
解调电路则正好相反,输入的是含有调制信号信息的载频信号,输出的是调制信号,载频已被滤除。
(5)电源电路的作用与特点
电源电路的作用是为其他电路提供工作电源或实现电源转换。常见的电源单元电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、恒流电路和电源变换电路等,它们具有不同的作用与功能。
例如,整流滤波电路的作用是将交流电变换为直流电,稳压电路的作用是提供稳定的工作电压,恒流源电路的作用是提供恒定的电流,逆变电路的作用是将直流电变换为交流电,直流变换电路的作用是将一种直流电变换为另一种直流电等。
(6)等效电路分析法
放大器、振荡器、有源滤波器等单元电路,都包括交流回路和直流回路,并且互相交织在一起,有些元器件只在一个回路中起作用,有些元器件在两个回路中都起作用。为了更方便更清晰地分析单元电路,可以分别画出交流等效电路和直流等效电路。
交流等效电路就是只画出交流回路。交流回路是单元电路处理交流信号的通路,对于交流信号而言,电路图中的耦合电容和旁路电容都视为短路;电源对交流的阻抗很小,且电源两端并接有大容量的滤波电容,也视为短路,这样便可绘出其交流等效电路。例如,图1-56(a)所示晶体管放大器电路,按照上述方法绘出的交流等效电路如图1-56(b)所示。
图1-56 交流等效电路
直流等效电路就是只画出直流回路。直流回路为单元电路提供正常工作所必须的电源条件,对于直流而言,电路图中所有电容均视为开路,很容易即可绘出其直流等效电路。晶体管放大器的直流等效电路如图1-57所示,直流回路为晶体管VT提供直流工作电源和合适的静态工作点。
图1-57 直流等效电路
1.2.7 集成电路的看图技巧
随着微电子技术的不断发展,电子设备中越来越多地使用集成电路,集成电路符号也就越来越多地出现在各种电路图中。由于电路图中一般不画出集成电路的内部电路,使得应用集成电路构成的电路图不像分立元件电路图那样直观易读。因此,看懂含有集成电路的电路图需要掌握一些特殊的看图方法和技巧。
(1)识别集成电路的引脚
一个集成电路内部通常集成了一个甚至多个单元电路,通过若干引脚与外界电路相连接。在电路图中,集成电路仅以一个矩形或三角形图框表示,往往缺乏内部细节,在这种情况下,看懂电路图的关键是正确识别集成电路的各个引脚。
集成电路引脚的主要作用是建立集成电路内部电路与外围电路的连接点,只有按要求在引脚上连接上外接的元器件或电路,集成电路才能正常工作。
集成电路引脚具有三个方面的作用。一是这些引脚上外接的元器件是集成电路内部电路的有机组成部分,只有在外接元器件的配合下,集成电路才能构成一个完整的电路。二是通过这些引脚,为集成电路提供工作电源。三是通过这些引脚,为集成电路提供输入信号,并引出集成电路处理后的输出信号。所以,识别和掌握集成电路各引脚的作用和功能,是看懂和分析含有集成电路的电路图的有效方法。
各种集成电路由于功能不同,决定了它们的引脚也不尽相同。但是电源引脚、接地引脚、信号输入和输出引脚则是大多数集成电路所必有的。
①电源引脚
电源引脚的作用是为集成电路引入直流工作电源。集成电路有单电源供电和双电源供电两种类型。单电源供电一般是采用单一的正直流电压作为工作电压,集成电路具有一个电源引脚,电路图中往往在电源引脚旁标注有“VCC”字符,如图1-58(a)所示。
图1-58 电源引脚与接地引脚
双电源供电一般是采用对称的正、负直流电压作为工作电压,集成电路具有两个电源引脚,电路图中往往分别在正、负电源引脚旁标注有“+VCC”和“-VSS”字符,如图1-58(b)所示。
即使没有标注字符,集成电路的电源引脚也是比较容易识别的。电源引脚的外电路具有以下明显的特征:一是电源引脚直接与相应的电源电路的输出端相连接。二是电源引脚与地之间一般都接有大容量的电源滤波电容(图1-58中的C1、C3),有的电路还在大容量滤波电容旁并接一个小容量的高频滤波电容(图1-58中的C2、C4)。
集成电路也可能具有更多的电源引脚。主要是以下两种情况:一是有些集成电路内部的前、后级单元电路分别有自己独立的电源引脚,以便分别供电或接入电源退耦电路,如图1-59所示。二是有些集成电路内部包含有电子滤波稳压电路,可以输出稳定的直流电压为其他单元电路供电,因此该集成电路另外具有一个电源输出引脚,如图1-60所示。
图1-59 多电源引脚
图1-60 电源输出引脚
电源稳压集成电路没有专门的电源引脚。这是因为电源稳压集成电路是串接在电源电路中工作的,直流电压从稳压集成电路的输入端输入,经内部电路稳压后从输出端输出,如图1-61所示。
图1-61 稳压集成电路的引脚
②接地引脚
接地引脚的作用是将集成电路内部的地线与外电路的地线连通。集成电路一般具有一个接地引脚,电路图中往往在接地引脚旁标注有“GND”字符,如图1-58所示。接地引脚的外电路的明显特征是直接与电路图中的地线相连接,或者直接绘有接地符号。
在电路图中,有些集成电路可能有多个接地引脚。主要有两种情况:一是有些集成电路内部的前、后级单元电路分别有自己独立的接地引脚,如图1-62所示。二是将集成电路内部闲置不用的单元电路的信号引脚接地,以保证整个集成电路工作的稳定性,如图1-63所示。这样接地的引脚并不是真正的接地引脚,但在分析电路图时可以不作严格区分。
图1-62 多接地引脚
图1-63 不用的单元电路接地
③信号输入引脚
信号输入引脚的作用是将输入信号引入集成电路。除了信号源类集成电路外,一般集成电路至少具有一个信号输入引脚,电路图中往往在信号输入引脚旁标注有“IN”字符,如图1-64(a)所示。有些集成电路同时具有同相输入和反相输入两个信号输入引脚,则在电路图中同相输入引脚旁标注有“+”字符,反相输入引脚旁标注有“-”字符,如图1-64(b)所示。
图1-64 信号输入引脚
集成电路信号输入引脚的外电路特征是,通过一个耦合元件与前级电路的输出端相连接。这个耦合元件可以是耦合电容C,或者是耦合电阻R,或者是RC耦合电路,或者是耦合变压器T等,如图1-65所示。
图1-65 信号输入引脚的特征
有些集成电路具有较多的信号输入引脚。可以分为三种情况:一是集成电路内部的前、后级单元电路分别有自己独立的信号输入引脚,如图1-66(a)所示。二是集成电路具有混合处理多个输入信号的功能,所以具有多个信号输入引脚,如图1-66(b)所示。三是集成电路内部包含有两个(或更多)互相独立的单元电路,例如双声道功放集成电路,每一声道都有自己的信号输入引脚,如图1-66(c)所示。
图1-66 多信号输入引脚
振荡器、函数发生器等信号源类集成电路一般没有信号输入引脚。
④信号输出引脚
信号输出引脚的作用是将集成电路的输出信号引出。集成电路至少具有一个信号输出引脚,电路图中往往在信号输出引脚旁标注有“OUT”字符,如图1-67所示。
图1-67 信号输出引脚
集成电路信号输出引脚的外电路特征是,通过电容、电阻、变压器等耦合元件与后续电路的输入端相连接,如图1-68所示;或者直接驱动扬声器、发光二极管、指示表头等负载,如图1-69所示。
图1-68 信号输出引脚的特征
图1-69 直接驱动负载
有些集成电路具有较多的信号输出引脚。包括三种情况:一是集成电路内部的前、后级单元电路分别有自己独立的信号输出引脚,如图1-70(a)所示。二是集成电路具有多路输出功能,所以具有多个信号输出引脚,如图1-70(b)所示。三是集成电路内部包含有两个(或更多)互相独立的单元电路,例如双声道功放集成电路,每一声道都有自己的信号输出引脚,如图1-70(c)所示。
图1-70 多信号输出引脚
⑤其他引脚
除了上述4种基本引脚之外,有些集成电路还具有一些其他引脚,例如外接电阻、电容、电感、晶体等元器件的引脚,自举、消振、负反馈、退耦等保证工作的引脚,静噪、控制等附加功能引脚等。
(2)从输入输出关系上分析
在电路图中,集成电路仅以一矩形或三角形图框表示,一般不画出内部电路,这给我们分析电路图带来一定难度。在缺乏集成电路内部电路资料的情况下,如何看懂电路图呢?我们可以从集成电路输入信号与输出信号的关系上进行分析,从而看懂整个电路图。
集成电路输出信号与输入信号之间的关系主要有幅度变化关系、频率变化关系、阻抗变化关系、相位变化关系和波形变化关系等。
①幅度变化关系
幅度变化关系的特点是,集成电路的输出信号与输入信号相比,其幅度发生了变化而其他参数不变,如图1-71所示。
图1-71 幅度变化
如果输出信号的幅度大于输入信号,我们就可以判定这个集成电路是一个放大电路,例如电压放大器、中频放大器、前置放大器、功率放大器等。如果输出信号的幅度小于输入信号,则该集成电路是一个衰减电路,例如衰减器、分压器等。
②频率变化关系
频率变化关系的特点是,集成电路的输出信号与输入信号相比,其频率发生了变化,如图1-72所示。
图1-72 频率变化
如果输出信号的频率低于输入信号,则该集成电路是一个变频电路。如果输出信号的频率高于输入信号,则该集成电路是一个倍频电路。如果输出信号的频带是输入信号的一部分,则该集成电路是一个滤波电路。
③阻抗变化关系
阻抗变化关系的特点是,集成电路的输出信号与输入信号相比,其阻抗发生了变化,说明该集成电路是一个阻抗变换电路,如图1-73所示。
图1-73 阻抗变化
如果输出信号的阻抗低于输入信号,则是电压跟随器、缓冲器等。如果输出信号的阻抗高于输入信号,则是阻抗匹配电路、恒流输出电路等。
④相位变化关系
相位变化关系的特点是,集成电路的输出信号与输入信号相比,其相位发生了变化,说明该集成电路是一个移相电路,如图1-74所示。当移相角度为180°时,也称为反相电路。
图1-74 相位变化
⑤波形变化关系
波形变化关系的特点是,集成电路的输出信号与输入信号相比,其波形发生了变化,说明该集成电路是一个整形电路,如图1-75所示。
图1-75 波形变化
其中,使输出信号幅度受到限制的是限幅电路,使波形边沿变得陡峭的是施密特触发器电路,强调输入信号变化率的是微分电路,强调输入信号随时间积累情况的是积分电路。
以上是集成电路输出信号与输入信号之间的一些基本关系,除此之外,还有诸如调制关系、解调关系、逻辑关系、控制关系等。有些集成电路的输入输出信号之间可能同时包含数种上述基本关系,甚至具有更复杂的输入输出关系。因此,熟练掌握这些基本关系,有助于我们融会贯通、举一反三地分析各种集成电路电路图。
(3)从集成电路的接口关系上分析
电路图中往往会包含有若干个集成电路,它们之间通过一定的电路组成了一个有机的整体。分析各个集成电路之间以及集成电路与其他分立元件单元电路之间的接口关系,也是看懂集成电路电路图的有效方法。
①从集成电路与其他集成电路的接口关系上分析
在电路图中,已知了一些集成电路的功能与作用,我们就可以从各集成电路之间的接口关系上,分析出未知集成电路的在电路图中的作用。
例如,图1-76所示电路图中,IC1为一未知集成电路,其两个输入端中,“IN1”与高放集成电路的输出端相接,输入高频信号;“IN2”与本振集成电路的输出端相接,输入本振信号。IC1的输出端“OUT”与中放集成电路的中频信号输入端相接。因此,通过分析可以得知,IC1为混频集成电路,电台信号经高放级放大后输入IC1,同时本振级产生的本振信号也输入IC1,由IC1混频后输出中频信号至中放级。
图1-76 混频集成电路的接口关系
②从集成电路与分立元件单元电路的接口关系上分析
由于分立元件单元电路比较直观、容易看懂,因此,通过对集成电路与分立元件单元电路接口关系的分析,可以帮助我们掌握该集成电路在电路图中的作用。
例如,图1-77所示电路图中,集成电路IC2通过变压器T3与分立元件电路相连接。该分立元件单元电路是一个典型的检波电路,VD2为检波二极管,C11、R10、C12组成π型滤波网络,RP1为音量电位器,T3为中频变压器。IC2的输出信号由T3耦合至检波电路进行检波。因此,IC2是中频放大器集成电路,承担电路中中频放大的任务。
图1-77 中放集成电路的接口关系