【一起造芯】自制741运算放大器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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1、简单易用,可快速上手

2、流畅支持300个器件或1000个焊盘以下的设计规模

3、支持简单的电路仿真

4、面向学生、老师、创客

专业版 professional

1、全新的交互和界面

2、流畅支持超过3w器件或10w焊盘的设计规模,支持面板和外壳设计

3、更严谨的设计约束,更规范的流程

4、面向企业、更专业的用户

标准版 【一起造芯】自制741运算放大器

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简介:运算放大器?一个能够变大变小的芯片,来一起探索下其内部原理吧!

开源协议: GPL 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2021-09-10 09:46:22
更新时间: 2024-01-02 10:06:22
描述

一、项目介绍

1.1 设计背景

  芯片是一个熟悉而又陌生的名词,熟悉是因为我们在进行电子设计的过程中往往会用到集成芯片进行设计,而陌生是因为我们不知道芯片是如何设计出来的,这往往是集成电路专业的同学所研究的问题。为了加强电子类学生及电子爱好者对芯片内部结构的了解,结合目前网络上一些资料自制了一个741运放,并取名为LC741,其中LC代表的是立创,可以理解为立创出的芯片,在这个鼓励芯片设计的环境背景下,我们也借此案例敲上芯片设计的大门。

      741是一款非常经典的通用运放,内部采用了有源负载,只需要两级放大就可以得到很高的电压增益;该电路采取内部补偿,工作点稳定,使用方便,是电压跟随器应用的理想选择,可应用于各种数字仪表及工业控制设备中。在学习阶段我们也常在波形的产生与变换的设计实验中看到741运放的身影。

1.2 功能特点

·无需频率补偿

·内置短路保护

·输出过载保护

1.3 应用场景

·模拟电路课程设计案例

·微电子电路课程设计案例

·电路原理图及PCB设计教学

·电子工艺与装配焊接练习案例

二、功能引脚

  芯片对外引出有8个引脚,引脚功能如下表所示:

引脚序号

引脚名称

描述

1、5

OFFSET

用于消除输入失调电压和平衡输入电压

2

INPUT -

反向信号输入

3

INPUT +

正向信号输入

4

VCC -

接地或负电源输入

6

OUT

运放输出

7

VCC +

正电源输入

8

NC

悬空,不接

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图2-1 LC741集成芯片示意图

 

三、原理图设计

3-1 新建工程

      打开嘉立创EDA,创建工程并命名为【一起造芯】自制555定时器,将原理图文件命名为:SCH-自制741运算放大器。根据图4-1电路进行绘制电路原理图。

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图3-1 自制741运算放大器原理图

3-2 器件选型

      在本项目的元件选型中,三极管使用的NPN型的2N3904以及PNP型的2N3906,两个管子互为配对管;电阻选择1/4W的直插电阻即可,芯片引脚用排针与香蕉头接口引出,便于安装与测试。所有器件可直接在立创EDA的元件库中进行搜索,如果对元器件不熟悉,也可以通过复制物料清单中的商品编号进行搜索(每一个元器件在立创商城都有唯一的商品编号),如果出现物料缺货情况,亦可选择其他可替换物料,通过以上电路的分析,相信聪明的你对各个元器件在电路中的作用有所了解,那么更换个别物料也不会影响到电路的工作性能的,了解电路工作特性后,电路选型也就变得简单了。

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图3-2 器件选型说明

QCuPhY4oZsRNVsXN29IhL4HESFz7BR6McJZ5hlYP.png

图3-3 使用器件编号选型说明

【一起造芯】自制555定时器项目物料清单

序号

名称

参数

器件位号

数量

封装

商品编号

1

电容

33pF C1 1 CAP-TH_L5.5-W3.8-P5.08-D0.5 C366798

2

二极管

BAT85 D1,D2 2 DO-34_BD1.6-L3.0-P7.00-D0.6-RD C134301

3

电阻

1K R1,R3 2 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C914821

4

电阻

51K R2,R8 2 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C410607

5

电阻

4.7K R4,R6 2 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C385509

6

电阻

39K R5 1 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C58645

7

电阻

7.5K R7 1 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C119344

8

电阻

51 R9,R11 2 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C58637

9

电阻

24 R10 1 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 C70806

10

三极管

2N3904

Q1,Q3,Q4,Q6,Q8,Q10,Q11,Q13,Q14,Q15,Q16,Q18,Q19

13

TO-92-3_L4.9-W3.7-P2.54-L

C258184

11

三极管

2N3906

Q2,Q5,Q7,Q9,Q12,Q17,Q20

7

TO-92-3_L4.9-W3.7-P2.54-L

C258186

12

排针

2.54*2

J1~J8

8

HDR-M-2.54_1X2

C124375

13

香蕉头

4MM

TP1~TP8

8

香蕉头_4MM(C106272)

C106272

      备注:香蕉头器件可在用户贡献库中搜索封装名,商城中还提供其他颜色及型号的连接器,该器件仅为装饰作用,可不采购及焊接。

四、PCB设计

      完成原理图设计后,经过检查电路与网络连接正确后点击设计-原理图转PCB,随即会生成一个PCB设计界面,可先暂时忽略弹出的边框设置,然后将PCB文件保存到工程文件中,并命名为:PCB-自制555定时器。

4-1 边框设计

      在绘制PCB前需根据个人设计意愿以及元器件数量所占空间确定PCB的形状及边框大小,若无特殊外壳要求,一般设计成矩形、圆形以及正方形。在设计该项目时,秉承着大小合适,美观大方的原则,我们在顶部工具菜单栏下的边框设置选型中设定了一个长为90mm、宽71mm、圆角半径为2mm的圆角矩形,并在左侧中间位置断开放置了一个半圆形,模拟芯片的缺口,使其更加形象。实际板框大小会随着布局布线中进行调整,如果太小可适当放大,太大也缩小边框,风格样式可自由发挥,但尽量控制在10cm*10cm之内,这样就可以到嘉立创免费打样啦~

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图4-1 边框设计

4-2 PCB布局

      在绘制完板框外形后,接下来进行PCB设计的第二步,对元器件进行分类和布局,分类指的是按照电路原理图的功能模块把各个元器件进行分类,图中有很多三极管和电阻,但哪一个三极管和电阻是连到一起的呢,这需要我们用到立创EDA所提供的布局传递功能,首先先确保PCB工程文件已保存到原理图文件的一个工程文件夹中,然后框选原理图中的某一电路模块,比如选中电阻分压电路,然后选中顶部菜单栏中的“工具”-点击“布局传递”按钮,PCB页面所对应的元器件就好进行选中并按照原理图布局进行摆放,使用这个办法将各个电路模块进行分类后依次摆放在前面所放置的边框中。

      在布局的时候注意摆放整齐,可根据飞线的指引进行摆放,按照原理图信号的流向和器件连接关系进行摆放,是可以把原理图器件摆放非常整齐的,在布局的过程中注意接口位置,比如我们需要把排针以及香蕉头接口按照实际芯片引脚排布在上下两侧,布局参考图如下:

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图4-2 PCB布局参考

4-3 PCB走线

      接下来进行PCB设计的第三步:PCB走线。由于一块电路板有顶面与地面两个面,在PCB走线也就可以分为顶层走线和底层走线,其中顶层走线默认是红色线,底层为蓝色线,走线也就是在电路板中按照飞线连接导线,将相同网络的点连接起来即可。

      首先选择层与元素中要走线的层,然后点击导线工具进行连线,快捷键为W。看似简单的连连看,其实其中需要我们耐心的进行调整,元器件的摆放布局也会影响走线的难度,所以还需要在走线过程中进一步调整布局,进一步优化,前面所介绍的PCB布局相当于是在给走线做铺垫,布局好了,走线也自然顺畅了。在该项目的走线中提供以下几点参考建议:

(1)电源线(VCC+与VCC-)设置为35mil,信号线设为20mil宽度

(2)走线以顶层走线为主,走不通的可以切换到底层进行连接

(3)走线过程中优先走直线,需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主

(4)最后加上泪滴,添加丝印标记说明该PCB板的尺寸以及接口功能

      布线参考如下图所示,初次设计可按下图进行走线联系,也可自由设计,自制属于你的741运算放大器。

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图4-3 PCB走线预览图

备注:参考项目所有导线进行了开窗,实际制作时会露出焊盘效果。

五、焊接与调试

5-1 硬件焊接

      拿到板子和元器件后先检查物料是否有缺失和遗漏,检查无误焊进行焊接。焊接的原则是先低后高,首先把电阻焊接到板子上,然后再焊接三极管,排针,最后按照香蕉头接口。直插器件的焊接方法如下图所示,注意焊接时对准位置,检查电阻的阻值是否正确,避免影响电路性能,导致电路不能正常工作。

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图5-1 插件焊接示意图(源于网络)

5-2 硬件调试

      完成焊接第一步,切勿直接上电测试,即使你很兴奋,顺利完成了元器件的焊接,但也不能心急。焊接完成后需要使用万用表检查电源与地是否短路,焊接过程中有没有出现短路以及断路的情况,检查无误后方能进行上电测试。上电后元器件没有明显发热状态,那么接下来我们可以用自制的555芯片来做一个LED灯闪烁电路吧~

 

附:参考资料

 

设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
未生成预览图,请在编辑器重新保存一次
ID Name Designator Footprint Quantity link
1 33pF C1 CAP-TH_L5.5-W3.8-P5.08-D0.5 1 N06S1B330KQ0T0S0N0
2 BAT85 D1,D2 DO-34_BD1.6-L3.0-P7.00-D0.6-RD 2 BAT85,133
3 HDR-M-2.54_1x2 J1,J2,J3,J4,J5,J6,J7,J8 HDR-M-2.54_1X2 8 HDR-M-2.54_1x2
4 2N3904 Q1,Q3,Q4,Q6,Q8,Q10,Q11,Q13,Q14,Q15,Q16,Q18,Q19 TO-92-3_L4.9-W3.7-P2.54-L 13 2N3904
5 2N3906 Q2,Q5,Q7,Q9,Q12,Q17,Q20 TO-92-3_L4.9-W3.7-P2.54-L 7 2N3906_C713606
6 1K R1,R3 RES-TH_BD2.7-L6.2-P10.20-D0.4 2 MFR-25FTF52-1K
7 51K R2,R8 RES-TH_BD2.4-L6.3-P10.30-D0.6 2 RN 1/4W 51K F T/B A1
8 4.7K R4,R6 RES-TH_BD2.4-L6.3-P10.30-D0.6 2 RN1/2WS4.7KΩFT/BA1
9 39K R5 RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6 1 MFR0W4F3902A50
10 7.5K R7 RES-TH_BD2.3-L6.5-P10.50-D0.5 1 MF1/4W-7.5KΩ±1% T52
11 51 R9,R11 RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6 2 MFR0W4F510JA50
12 24 R10 RES-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6 1 CFR0W4J0240A50
13 香蕉头_4mm(C106272) TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,TP6,TP7,TP8 香蕉头_4MM(C106272) 8 香蕉头_4mm(C106272)

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