學(xué)習(xí)情境5 電冰箱溫度控制

1、學(xué)習(xí)情景學(xué)習(xí)情景5 5 電冰箱溫度控制器的電冰箱溫度控制器的調(diào)試及分析調(diào)試及分析【任務(wù)目標【任務(wù)目標】技能目標：技能目標：會繪制、分析用集成運算放大器構(gòu)成的電會繪制、分析用集成運算放大器構(gòu)成的電冰箱溫度控制器電路圖和工作原理。冰箱溫度控制器電路圖和工作原理。會調(diào)整溫度控制范圍。會調(diào)整溫度控制范圍。會計算選擇元器件會計算選擇元器件。知識目標：知識目標： 集成運算放大器的結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)。集成運算放大器的結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)。 理想集成運算放大器的分析方法（線性理想集成運算放大器的分析方法（線性電路、非線性電路）。電路、非線性電路）。 集成運算放大器的應(yīng)用。集成運算放大器的應(yīng)用。任務(wù)任務(wù)5.1 運算放大電

2、路的分析、調(diào)試運算放大電路的分析、調(diào)試【 任務(wù)描述任務(wù)描述】在不同溫度下測量傳感器的輸出電壓值。了解集成運算放大器的結(jié)構(gòu)，掌在不同溫度下測量傳感器的輸出電壓值。了解集成運算放大器的結(jié)構(gòu)，掌握組成運算電路的分析方法。握組成運算電路的分析方法。【 任務(wù)分析任務(wù)分析】技能目標技能目標1.能夠驗證集成運算電路的電壓關(guān)系；能夠驗證集成運算電路的電壓關(guān)系；2.會用儀表測量傳感器的輸出電壓。會用儀表測量傳感器的輸出電壓?！局R目標【知識目標】1.了解集成運算放大器電路的負反饋的作用、分析方法；了解集成運算放大器電路的負反饋的作用、分析方法；2. 會應(yīng)用會應(yīng)用“虛短虛短”、“虛斷虛斷”分析集成運算放大電路的工

3、作原理；分析集成運算放大電路的工作原理；3. 了解傳感器的工作原理。了解傳感器的工作原理?！局R準備【知識準備】 1.1.集成運算放大電路集成運算放大電路 運算放大器就是能夠進行各種數(shù)學(xué)“運算”的放大器。它是由高放大倍數(shù)的直流放大器，并引入深度電壓負反饋構(gòu)成的電路， 按功能分類，集成電路可分為線性集成電路線性集成電路和數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路兩種。線線性集成電路性集成電路是輸出信號與輸入信號,集成運算放大器、集成高、中頻放大器、集成穩(wěn)壓器、集成功率放大器等就屬于這一類。數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路是用來產(chǎn)生和加工各種數(shù)字信號的，如計數(shù)器、存儲器等。（1）集成運算放大器的組成及主要參數(shù)1）集成運算放

4、大器的組成及電路符號 無論是小規(guī)模、中規(guī)模、還是大規(guī)模集成運算放大器，其內(nèi)部均是由圖示框圖中的四部分組成的。其中輸人級采用差動放大電路，它具有溫漂小和輸人電阻較高的特點，用于放大微弱的輸入信號；中間級在盡量提高通頻帶的情況下，實現(xiàn)較高的電壓增益；輸出級一般為射極輸出器，用來提高集成運放的輸出電流和功率，它具有輸出電阻小、帶負載能力強的特點；偏置電路用于提供各級放大電路直流偏置，通常采用恒流源電路以起到穩(wěn)定各級靜態(tài)工作點和抑制溫漂的作用。差分差分輸入級輸入級中間放大級中間放大級輸出級輸出級uiu0 （1）集成運算放大器的組成及主要參數(shù)1）集成運算放大器的組成及電路符號 a.集成運算放大器的組成無

5、論是小規(guī)模、中規(guī)模、還是大規(guī)模集成運算放大器，其內(nèi)部均是由圖示框圖中組成的。運放的輸入級。利運放的輸入級。利用差分電路的對稱用差分電路的對稱特性具有溫飄小、特性具有溫飄小、輸入電阻高可提高輸入電阻高可提高整個電路的共模抑整個電路的共模抑制比和電路性能。制比和電路性能。中間級的主要作中間級的主要作用是提高電壓增用是提高電壓增益。一般由多級益。一般由多級放大電路組成。放大電路組成。輸出級常用電壓跟輸出級常用電壓跟隨器或互補電壓跟隨器或互補電壓跟隨器組成，以降低隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶輸出電阻，提高帶負載能力。負載能力。 集成運放內(nèi)部主要有上述三個部分，其外部還常接有偏置電路，以便向各級提供

6、合適的工作電流。b.集成運放的電路圖形符號集成運放是一種多端電子器件，它有兩個對地輸入端和，一個輸出端，還有兩個正負電源端和，以及兩個外接調(diào)零電位器端。集成運放的電路符號如圖所示 集成運算放大器的電路符號集成運算放大器的電路符號 集成運算放大器的外形圖集成運算放大器的外形圖 其中圖（a）為國標符號；圖（b）為另一種常見符號。符號中的“”端為反相輸入端，表明該端與輸出端的信號相位相反；“”端為同相輸入端，表明該端與輸出端的信號相位相同。 c.常用常用A741集成運放芯片產(chǎn)品實物圖集成運放芯片產(chǎn)品實物圖A741集成運放的8個管腳排列圖如下：12438765調(diào)零端調(diào)零端 反相輸入端反相輸入端 同相輸

7、入端同相輸入端 負電源端負電源端 調(diào)零端調(diào)零端 輸出端輸出端 正電源端正電源端 空腳空腳 反相輸入端d.A741集成運放圖形符號集成運放圖形符號U0U+U-A741集成運放外部接線圖同相輸入端12V12V輸出端子調(diào)零電位器調(diào)零電位器 管腳管腳1和和5分別與調(diào)零電位分別與調(diào)零電位器的兩個固定端相連器的兩個固定端相連 調(diào)零電位器的可調(diào)調(diào)零電位器的可調(diào)端與管腳端與管腳4相連相連65137242）集成運算放大器的主要參數(shù)）集成運算放大器的主要參數(shù) 集成運放的參數(shù)很多，對于一般分析使用，主要可依據(jù)以下幾種： 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) 它是指運放輸入與輸出端之間未接任何反饋元件即運放開路情

8、況下的差模電壓放大倍數(shù)。它等于輸出電壓 與輸入電壓 之比。通常運放的 在 之間。差模輸入電阻差模輸入電阻 和差模輸出電阻和差模輸出電阻 為輸人差模信號時運放的輸入電阻。數(shù)值越大，對信號源的影響越小。它通常為幾十k至幾十M。 為輸入差模信號時運放的輸出電阻。數(shù)值越小，說明運放的帶負載能力越大。它通常在100300之間。 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 和輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流 由于差動對管 的不完全對稱，通常的運放在輸入為零時輸出不為零，需要外接調(diào)零電位器進行補償，這個補償電壓折算到輸人端的電壓值就是輸入失調(diào)電壓 ， 越小說明其對稱性越好，通常在110 mV之間。 由于差動對管輸人電流的不完全對稱

9、，當(dāng)輸出電壓為零時，兩個輸入端的靜態(tài)偏置電流之差稱為輸入失調(diào)電流 ，它通常在15 nA之間。 OdAouuuui410710OdAidRidRodRodRioUioUioUioIioIBEU最大輸出電壓最大輸出電壓 它是在規(guī)定的電源電壓下運放的最大不失真輸出電壓的峰峰值。在運放雙電源的標稱工作電壓為15v時，它一般可達到土13V。共模抑制比共模抑制比 它反映了運放對共模信號的抑制能力，等于差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)的絕對值。其值越大越好，用分貝表示，通常在80160 dB之間。 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬 它是運放開環(huán)電壓放大倍數(shù)隨信號頻率升高時下降3 dB時的頻率，實際運放的 比較低，通常在幾

10、Hz至幾十kHz。 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 它是反映運放在大信號情況下對快速變化信號的反應(yīng)能力。越大，說明運放的高頻特性越好，它通常在1580s之間。 在選擇使用集成運放時，一般可選擇價格便宜的通用型運放，特殊場合可選擇專用型運放。當(dāng)要求精度較高時，應(yīng)選擇低溫漂的高精度型；當(dāng)要求輸出信號反映速度快時，應(yīng)選擇高速型；當(dāng)要求輸出電壓高時，應(yīng)選擇高壓型。UoppCMRkhfhfRS(2)理想集成運算放大器 的分析方法 由上述運放的主要參數(shù)可見，除了頻率特性外，實際運放的主要性能均優(yōu)于普通分立元件。為了分析計算方便，常常把集成運放理想化，即認為所有越大越好的性能指標均假設(shè)為無窮大，所有越小越好的性能指標均假

11、設(shè)為零。一般分析計算時常用到的理想化指標是： 1）無限大的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)（ ）。 2）無限大的輸入阻抗（ ）。 3）輸出阻抗為零（r。o）。 4）無限大的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（ ， ）。 5）無限大的共模抑制比（ ）。 6）兩輸入端電壓相等時，即 時， 。在分析集成運放電路時，用理想化的集成運放代替實際的集成運放會帶來一定的誤差，但這種誤差比較小，在實際應(yīng)用中是允許的。并且這樣處理將使分析問題大大簡化。odAidrhfRSCMRKuuouo運放的線性運用運放的線性運用(虛斷、虛短）虛斷、虛短）指運放的輸出電壓與輸入電壓始終保持線性的比例關(guān)系。由以上理想化條件，可以得到運放在線性運用時的兩點結(jié)論

12、： （1）由于 ，兩個輸入端的輸入電流均為零，即 。此時輸入端如同斷路，故稱之為“虛斷虛斷”； （2）由于 ，可得 0，即此時輸入端等電位如同短路，故稱之為“虛短虛短”。 運放的非線性運用（比較）運放的非線性運用（比較）指運放的輸出電壓與輸入電壓只有在極小的范圍內(nèi)為線性關(guān)系，其他情況下輸出電壓只有高電平和低電平兩種狀態(tài)。由以上理想化條件也可得到兩點結(jié)論： （1）兩個輸入端的輸入電流均為零，即； （2）當(dāng) 時，輸出電壓 為高電平 ；當(dāng) 時，輸出電壓 為低電平 。 可見，當(dāng)運放工作在線性放大狀態(tài)時，運用“虛斷”和“虛短”的概念可以大大簡化電路的分析過程，由于實際運放的性能已經(jīng)接近理想運放，不會造成

13、明顯的誤差。當(dāng)運放工作在非線性狀態(tài)時，運放存在兩個輸出狀態(tài)，輸出電壓的高低取決于兩個輸入端電壓值的比較。idRoiiOdAiuuuoiiuuOHUouuuouoLU（3）集成運算放大器的電壓傳輸特性）集成運算放大器的電壓傳輸特性理想特性理想特性ui(mV)0u0(V)實際特性實際特性 根據(jù)集成運放的實際特性和理想特性，可分別畫出其相應(yīng)的電壓傳輸特性。集成運放工作在線性區(qū)時輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系 可以看出，當(dāng)集成運放工作在線性區(qū)(+U0M U0M)時，其實際特性與理想特性非常接近；由于集成運放的電壓放大倍數(shù)相當(dāng)高，即使輸入電壓很小，也足以讓運放工作在飽和狀態(tài)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。)(Au0

14、0UUU2.負反饋的概念及對放大電路性能的影響負反饋的概念及對放大電路性能的影響（1）反饋的基本概念）反饋的基本概念 1） 反饋反饋將放大器的輸出電壓或電流，通過一定的方式“回送”到放大器的輸入端叫做反饋。如果反饋信號與放大器原來的輸入信號相位相反，對于輸入信號起削弱作用，則稱它為負反饋，反之，稱為正反饋。如圖帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)框圖。iXidXfXAFoXiXidXAXFXFXffiidXXXidXXAFAAXXAif1輸入信號電壓或電流輸入信號電壓或電流 輸出信號電壓或電流輸出信號電壓或電流 反饋系數(shù)反饋系數(shù)反饋信號反饋信號 差值信號差值信號 開環(huán)放大倍數(shù)開環(huán)放大倍數(shù) 閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放

15、大倍數(shù) 帶有反饋網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)框圖 例：例： 如下圖所示電路中，電阻如下圖所示電路中，電阻R1和和R2組成反組成反饋網(wǎng)絡(luò)，即可判斷該電路存在反饋。饋網(wǎng)絡(luò)，即可判斷該電路存在反饋。 R2RLuSrSuoAR12）負反饋的判斷方法：首先假定輸入信號在某一瞬時的極性為正，再根據(jù)放大電路輸出和輸入反相的原理，逐級地推出各點的瞬時極性，最后看反饋到輸入端的信號極性（用 或 表示），若與假定的輸入信號極性相反，則為負反饋，否則為正反饋。3）負反饋的基本類型及判斷）負反饋的基本類型及判斷電壓負反饋的反饋信號與放大電路的輸出電壓成正比。電流負反饋的反饋信號與電壓負反饋的反饋信號與放大電路的輸出電壓成正比。電流

16、負反饋的反饋信號與放大電路的輸出電流成正比。若同時考慮到電壓、電流反饋和串聯(lián)、并聯(lián)反饋，放大電路的輸出電流成正比。若同時考慮到電壓、電流反饋和串聯(lián)、并聯(lián)反饋，則負反饋可組合為四種類型。則負反饋可組合為四種類型。 RLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuoAuidFuf(a)(b)AFA(c)(d)rSiiifiidRLuoFAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuoAuidFuf(a)(b)AFA(c)(d)rSiiifiidRLuoFAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouid

17、ufuiiSuoAuidFuf(a)(b)AFA(c)(d)rSiiifiidRLuoFAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuoAuidFuf(a)(b)AFA(c)(d)rSiiifiidRLuoF（a）電壓串聯(lián)負反饋）電壓串聯(lián)負反饋 (b) 電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋 (c) 電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋 (d) 電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋 電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓，電流負反饋穩(wěn)定輸出電流。串聯(lián)負反饋使輸入電阻增電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓，電流負反饋穩(wěn)定輸出電流。串聯(lián)負反饋使輸入電阻增加，并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。加，并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。

18、(2) 負反饋放大電路的四種類型負反饋放大電路的四種類型RuidAufRfuSrSRLuoArSRLuoRfifiiidiSR(a)(b)RLuSRSAuidufioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)AuoiSRLuSRSAuidufioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)AuoiSRuidAufRfuSrSRLuoArSRLuoRfifiiidiSR(a)(b)電壓串聯(lián)負反饋電壓串聯(lián)負反饋 電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋 電流串聯(lián)負反饋電流串聯(lián)負反饋 電流并聯(lián)負反饋電流并聯(lián)負反饋 例例 如圖所示為一運算放大器，試求如圖所示為一運算放大器，試求Rf形成的反饋類型。形成的反饋類型。R

19、f1Rf2R3R1R4uiRfuoR2uo1ufA2A1解解 首先用瞬時極性法判斷反饋的性質(zhì)：首先用瞬時極性法判斷反饋的性質(zhì)：uiuo1uouid=(ui-uf) 因反饋的作用使得電路的凈輸入信號增加，故為正反饋；由于反饋電阻因反饋的作用使得電路的凈輸入信號增加，故為正反饋；由于反饋電阻Rf直接與直接與電路的輸出端相連，故應(yīng)為電壓反饋；又由于反饋信號是以電壓的形式與輸入電電路的輸出端相連，故應(yīng)為電壓反饋；又由于反饋信號是以電壓的形式與輸入電壓相疊加，因此是串聯(lián)反饋；即壓相疊加，因此是串聯(lián)反饋；即Rf形成了電壓串聯(lián)正反饋。形成了電壓串聯(lián)正反饋。（3） 負反饋放大電路增益的一般表達式負反饋放大電路

20、增益的一般表達式 FAAXXAif111FA當(dāng)當(dāng) 時，稱為深度負反饋，放大電路的閉環(huán)增益可近似表示為時，稱為深度負反饋，放大電路的閉環(huán)增益可近似表示為FFAAFAAAf11（4）負反饋對放大器性能的影響）負反饋對放大器性能的影響在放大電路引入負反饋后，雖然放大倍數(shù)有所下降，但從多方面改善了放大在放大電路引入負反饋后，雖然放大倍數(shù)有所下降，但從多方面改善了放大電路的性能。電路的性能。1）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性）提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性FAf/1這就是說，放大電路的增益近似取決于反饋網(wǎng)絡(luò)這就是說，放大電路的增益近似取決于反饋網(wǎng)絡(luò) ，與基，與基本放大電路幾乎無關(guān)。本放大電路幾乎無關(guān)。 F2）減小非線性失真

21、）減小非線性失真 大小大小大小引 入 負 反 饋 后 波 形AFAiXoXoXiXiXfX(a)(b)(a) 無負反饋時信號的波形無負反饋時信號的波形 (b) 引入負反饋后信號的波形引入負反饋后信號的波形 3）擴展頻帶）擴展頻帶有負反饋時的頻率特性，放大倍數(shù)降低了，但通頻帶展寬了。4）改變輸入電阻和輸出電阻）改變輸入電阻和輸出電阻 對輸入電阻的影響輸入電阻的改變情況，顯然只取決于輸入端的反饋方式，即串聯(lián)或是并聯(lián)。 對輸出電阻的影響輸出電阻的改變情況，顯然只取決于輸出端的反饋方式，即電壓或是電流。 集成運放的應(yīng)用分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩大類。1. 集成運放的線性應(yīng)用負號說明輸負號說明輸入輸出反

22、相入輸出反相由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 RuiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值3. 基本運算電路(1)反相比例運算電路反相比例運算電路中，R2是平衡電阻，其值應(yīng)選擇符合F12/ RRR (2)同相比例運算電路由“虛斷”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011 RuuiRuifi，由圖可知fii 1所以F01RuuRuiiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根據(jù)“虛短”又可推出：u= u+=ui整理后可得i

23、1F0)1 (uRRu輸出與輸入輸出與輸入的比例值的比例值 顯然同相比例運算電路的輸出必然大于輸入。為提高電路的對稱性，與反相比例運算電路相同，R2=R1/RF(3)反相加法運算電路反相電路存在“虛地”現(xiàn)象，因此2i221i11 RuiRui，因為fiiii321可得u= u+= “地”F03i33 RuiRuif，將各電流代入F03i322i11 iRuRuRuRu如果321RRR整理上式可得)(3i2i1 i1F0uuuRRu若再有F1RR 則)(3 i2i1 i0uuuu實現(xiàn)了反相求和運算u+uu0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if(4)差分減法運算電路u+ui1if

24、ui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，則2i2323i2uRRRuuu1i2i111 i12/RuuRuuiF20F02/RuuRuuiif因為fii 1不存在不存在“虛地虛地”現(xiàn)現(xiàn)象象所以F2i012ii12/2/RuuRuu整理得)(1 ii21F0uuRRu若R1=RF，則1 ii20uuu實現(xiàn)了輸出對輸入的減法運算。(5)基本積分運算電路u+ui1ifuiu0ifu0R1R2積分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即dtiCuufC101可知u= u+= “地”111iRiRiuf因為dtuCRui1101將i1代入u0表達式得 電路實現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的積分。式中的比例

25、常數(shù)R1C1稱為電路的時間常數(shù)。RF 反相比例運放中的反相比例運放中的偏置電阻用電容代偏置電阻用電容代替即為積分電路替即為積分電路CF1i1110 1RuidtiCu，其中所以(6)基本微分運算電路微分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，即dtduCdtduCii1C11可知u= u+= “地”微分電路可用微分電路可用于波形變換，于波形變換，將矩形波變換將矩形波變換成尖脈沖；且成尖脈沖；且u0與與ui相位相位F0i11RudtduCiif因為dtduCRui1F0所以 電路實現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。式中的比例常數(shù)RFC1稱為電路的時間常數(shù)為保證電路的平衡， RF=R2uit0u0t0u+u

26、i1ifuiu0C1RFuCifu0RFR24.電壓比較器(1)單限電壓比較器 利用電壓比較器可以把正弦波變換成方波。UR=0uiu0 由于門限電壓等于由于門限電壓等于0，因此，因此為過零電壓比較器。為過零電壓比較器。ui0tu00tUCMUCM 輸入電壓只要到達門限電輸入電壓只要到達門限電壓值，輸出電壓即可發(fā)生壓值，輸出電壓即可發(fā)生跳變。跳變。(2)滯回比較器 滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，傳輸過程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”曲線的形狀。電路及曲線圖如下所示：uiR1R4u0R3R2DZUOMU0MUB1UB2當(dāng)當(dāng)ui等于或大于等于或大于UB1時時u0ui0門限電平值門限電平值當(dāng)當(dāng)ui小等于或小于小等于或小于UB2時時 滯回比較器可構(gòu)成矩形波、鋸齒波等非正弦信號發(fā)生器電路，也可以實現(xiàn)波形變換。滯回比較器的特點1、具有雙門限UB1和UB2； 2、電路具有正反饋環(huán)節(jié)；3、電路的抗干擾能力強。滯回比較器應(yīng)用實例ui (V)t010- -10tu0 (V)07- -7當(dāng)門限