课程设计报告。
电子配料秤设计。
1、设计任务与要求。
在工业生产中，经常要将不同的物料按一定重量的比例配置进行混合加工，现设计重量计量装置，用于配料生产的自动控制系统。
要求： 配料精度优于百分之一；
配料的重量连续可调，料满自动停止加料；
工作稳定可靠；
设计电路所需的直流电源。
2、总体方案设计。
该装置主要功能是用电子电路实现对物料重量的计量，故首先应将物料重量（非电量）转换成电量。被称物料可通过支撑料斗的负重传感器，实现将重量信号转换成电信号，电量数值大小与物料的重量成比例。
根据预先设定的配料重量，来确定基准电压（类似于天平的砝码），其值大小可以调节。
将表示无聊重量的电信号与基准电压进行比较，其比较结果（输出状态）来控制执行机构完成指定的动作。
3、设计的原理框图。
电子配料秤原理框图。
4、设计的具体过程。
传感器：可采用电阻应变式荷重传感器，将多个同类型的传感器串接连接使用，可扩大输出电压范围。
放大器：将传感器输出的微弱信号电压予以放大，可采用通用型集成运算放大器。
料重指示器：可由电压跟随器和电流表组成。电压放大器的输出信号作为输入信号加于电压跟随器(射极输出器)的输入端，在射极串接一电流表m测试电流的数值，重物（所加物料）愈重，则m的指示读读数愈大。
比较器：可采用继承云放和反馈元件构成迟滞比较器。
放大器的输出电压与基准电压进行比较，当时，,由于，则截止。由小逐渐增大到，使，只要，导通。当由大下降到时，又由变到。
电容c起到提高转换速度的作用。为保证转换精度，要求基准电压稳定，且、、选用精密电阻。可采用稳压管稳压电路获得。
执行机构：可采用符合三极管和继电器j等元件组成。三极管工作于开关状态，由比较器的输出状态控制。
当时，三极管导通，使继电器吸合；当时，三极管截止，继电器释放，则相应的控制电路按有关逻辑程序工作，使之完成预定的动作。
4.1传感器设计。
某些电介质， 当沿着一定方向对其施力而使它变形时， 其内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后， 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时， 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象， 称为“正压电效应” 。
相反， 当在电介质极化方向施加电场， 这些电介质也会产生变形， 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料， 压电材料能实现机—电能量的相互转换， 如图所示。
4.2 放大器设计。
1、,对管组成差分式放大电路，信号双端输入、单端输出。
2、复合管，组成共射极电路，形成电压放大级，以提高整个电路的电压增益。
3、,组成两级电压跟随器，构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压为零时，输出电压的目的。
4、和组成低电压稳压电路以供给的基准电压，它与一起构成电流源电路以提高的电压跟随能力。
5、电路符号：由此可见，运算放大器有两个输入端（即反相输入端1和同相输入端2）,与一个输出端3。在运算放大器的代表符号中，反相输入端用"-"号表示，同相输入端用"+"表示。
器件外端输入、输出相应地用n,p和o表示。
6、输入和输出的相位：利用瞬时极性法分析可知，当输入信号电压从反相输入端输入时（），如的瞬时变化极性为(+)时，各级输出端的瞬时电位极性为则输出信号电压与反相；同时，当输入信号电压从同相端输入()时，可以检验，输出电压与同相。
下图所示放大电路中，虚线方框部分为250kg称重传感器，无重力信号时，电桥平衡，;出现重力时，，物体越重，变化越大，使用运放fc72c输入的差动信号越大，其输出电压与物重成线性关系。设后接的a/d转换器最大输入模拟电压为10v，则需调节，使称重传感器满载250kg时，放大器输出电压为10v。图中为多圈螺钉调整型电位器。
正、负电压进线处的两个电阻用镍铬电阻丝绕制，选择其值使加到运放及传感器上的电压完全对称。该电路长时间工作时，漂移小于1mv。
4.3比较器设计。
比较器：可采用继承云放和反馈元件构成迟滞比较器。
迟滞比较器（正反馈比较器)
其特点是抗干扰能力较强。在单限比较器种，如果受到干扰，在阀值附近回出现(干扰信号多出现在阀值电压上，下波动，以致出现条纹误翻转，而迟滞比较器利用其传输特性的回差电压，输入的干扰信号不能使状态误翻转。
两种迟滞比较器的传输特性见下图。
迟滞比较器传输特性。
同相型：接运放同相端。
反相型：接运放反相端。
均由二根传输特性(1)，(2)合成，同相型。 当从低值↑≥，从↑；当从高值↓≤时，从↓。反相型则类同。
为二个阀值， (回差)＝－
或根据输出是否有箝位电路而定。
二种基型迟滞比较器。
反相型迟滞比较器见下图。
被箝位在，避免运放计入过饱和。
假设在足够低时，， 始终稳定)
此时。当从低值↑ 若时，从↓
此时。当从高值↓至，从↑
门限宽度 当时，
无论从足够低或足够高单调增加或单调减少，仅翻转一次，即过了阀值后就维持在一种稳态。
同相迟滞比较器见下图
设足够低，使， (初始稳态)
若要使从↑，必须使↑，以致使才行，此时对应的。
当从低值↑，使。
即此时从↑当从高值↓，使时所对应的。
即此时从↓同上面反相型类同，单调升或单调降，只改变一次状态，过了阀值后只维持在一种稳态上。
放大器的输出电压与基准电压进行比较，当时，,由于，则截止。由小逐渐增大到，使，只要，导通。当由大下降到时，又由变到。
电容c起到提高转换速度的作用。为保证转换精度，要求基准电压稳定，且、、选用精密电阻。可采用稳压管稳压电路获得。
4.4料重指示器的设计。
即由电压跟随器和电流表组成。电压放大器的输出信号作为输入信号加于电压跟随器(射极输出器)的输入端，在射极串接一电流表m测试电流的数值，重物（所加物料）愈重，则m的指示读读数愈大。可得到如下的图：
4.5基准电压的设计。
电压基准可以在温度及电源电压变化环境中提供稳定的参考电压，被广泛应用于比较器，a／d，d／a转换器，信号处理器等集成电路中。目前已有不少bipolar工艺和cmos工艺的电压基准应用于实际中，并且获得了很高的精度和稳定性。然而随着各种便携式移动通信和计算产品的普及，对电池的需求大大加强，但是电池技术发展相对落后，降低电路的功耗成为ic设计关注的一个焦点；电路的功耗会全部转换成热能，过多的热量会产生焦耳热效应，加剧硅失效，导致可靠性下降，而快速散热的要求又会导致封装和制冷成本提高；同时功耗大将导致温度高，载流子速度饱和，ic速度无法再提升；并且功耗降低，散热减少，也能减少对环境的影响。
因此，功耗已成为超大规模集成电路设计中除速度，面积之外需要考虑的第三维度。
传统的带隙电压基准源面积大、功耗大、不适应低功耗小面积的要求。立足于低功耗、小面积、利用工作于弱反型区晶体管的特点，对传统的带隙电压基准源做出改进，设计了一款最大消耗380 na电流的电压基准源，大大减小了面积，且与cmos工艺兼容，同时提出一种新的不耗电的启动电路。
传统带隙基准源如下图所示。
由ptat产生电路，负ptat产生电路，放大器，加法器组成。原理是由，两个pnp三极管和电阻产生ptat电流，流过电阻产生ptat电压，再叠加上的负ptat电压，通过合理调整电阻和的比例产生与温度无关的电压基准。运算放大器a是为了保证b，c两点电压相等。
这种结构需要三极管、运算放大器以及若干电阻，面积比较大。其工作时电流由3部分组成：支路的集电极电流；支路的集电极电路，运算放大器a的工作电流。
其中，支路的电流为，其中；是电荷常量；是波尔滋曼常数；是绝对温度；是三极管与的比值，通常为8，同时要达到好的性能运算放大器的电流不能太小以使晶体管工作于饱和区。通常传统带隙电压基准源消耗电流不小于。
利用工作在弱反型区晶体管的特点，对传统带隙电压基准电路进行了改进。工作在弱反型区的晶体管特性模型假设：
1)晶体管沟道长度足够长，沟道长度近似成立，并且沟道长度调制效应可以忽略；
2)空间电荷区的产生电流可以忽略；
3)表面态密度和表面势的波动可以忽略。
在这些假设之下，工作在弱反型区的晶体管的i-v特性可以表示为： (1)
是特征电流；是晶体管的宽长比；是斜率因子；，，分别为晶体管栅、源、漏端与衬底的电压差。当晶体管由相同的vs电压偏置时，斜率因子是常数，也可以认为是常数。由式(1)可以看出，当时，弱反型工作的mos晶体管与三极管的直流传输特性一致。
电压基准电路由3部分组成：启动电路、ptat产生电路和输出电路。输出电路包括电流放大和电压叠加。
ptat电路由和构成，利用其工作在弱反型区晶体管的特点，取代了传统的三极管ptat产生电路，且不需要运算放大器，面积大大减小，弱反型区晶体管特性令工作功耗大大降低。p型晶体管与组成第一对电流镜，增益为，n型晶体管与组成第二对电流镜，增益为，只要2路电流足够小，电阻的影响就可以忽略，2路电流相等。组成一个闭合环路，环路的增益为2组电流镜增益的乘积。
其中晶体管与的宽长比要足够大，工作在弱反型区，与沟道长度要足够长，工作在饱和区。，和，分别与，和，构成共源共栅结构，增大阻抗，提高基准电压源的电源抑制比。环路的起始增益大于1令两支路的电流增加，直到平衡则增益降为1，电阻上的压降为。
据公式(1)，可以表示为：
则流过电阻的电流为：
由式(3)可以看出，电流只与晶体管宽长比，电阻，斜率因子；波尔滋曼常数，绝对温度有关，与电源电压无关，是与温度成正比的ptat电流。
电压基准输出电路由晶体管，以及电阻，三极管，电容组成。与镜像ptat电流同时与镜像，支路的ptat电流，组成电流放大，采用共源共栅结构是为了镜像更准确。ptat电流流过电阻，产生与温度成正比的ptat电压，此ptat电压和二极管方式连接的三极管的电压叠加，产生与温度无关的基准电压，电容是为了滤波，降低噪声。
将对温度求导，并置为0，得。
其中为硅的带隙能量；为迁移率的温度系数常数。
将式(7)代入(6)可以看出，只要合理设置晶体管的宽长比和电阻，的比值就可以得到与温度无关的基准电压。
由于电压基准源电路存在2个电路平衡点，零点和正常工作点。当基准源工作在零点时，晶体管，栅源电压为高，，管栅源电压为低，ptat电路没有电流产生，启动电路就是避免电压基准工作在零点上。本文提出的启动电路的最大特点是不耗电，它由晶体管以及电容组成。
当电源电压为低时，若电容上存有电荷，则导通，将电荷放完，等电源电压为高时，，导通，流过的瞬间大电流迅速将打开，同时将，的栅电位拉低导通，产生ptat电流，电路正常工作，当，栅压升高时，导通，将栅压拉低，启动电路停止工作，几乎不消耗电流，达到了低功耗的目的。启动时间由m2管子的大小和电容决定。
4.6直流电源的设计。
电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
直流电源演示。
a）简易直流电源；（b）直流电源。
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