学习情境5 电冰箱温度控制

1、学习情景学习情景5 5 电冰箱温度控制器的电冰箱温度控制器的调试及分析调试及分析【任务目标【任务目标】技能目标：技能目标：会绘制、分析用集成运算放大器构成的电会绘制、分析用集成运算放大器构成的电冰箱温度控制器电路图和工作原理。冰箱温度控制器电路图和工作原理。会调整温度控制范围。会调整温度控制范围。会计算选择元器件会计算选择元器件。知识目标：知识目标： 集成运算放大器的结构、主要参数。集成运算放大器的结构、主要参数。 理想集成运算放大器的分析方法（线性理想集成运算放大器的分析方法（线性电路、非线性电路）。电路、非线性电路）。 集成运算放大器的应用。集成运算放大器的应用。任务任务5.1 运算放大电

2、路的分析、调试运算放大电路的分析、调试【 任务描述任务描述】在不同温度下测量传感器的输出电压值。了解集成运算放大器的结构，掌在不同温度下测量传感器的输出电压值。了解集成运算放大器的结构，掌握组成运算电路的分析方法。握组成运算电路的分析方法。【 任务分析任务分析】技能目标技能目标1.能够验证集成运算电路的电压关系；能够验证集成运算电路的电压关系；2.会用仪表测量传感器的输出电压。会用仪表测量传感器的输出电压。【知识目标【知识目标】1.了解集成运算放大器电路的负反馈的作用、分析方法；了解集成运算放大器电路的负反馈的作用、分析方法；2. 会应用会应用“虚短虚短”、“虚断虚断”分析集成运算放大电路的工

3、作原理；分析集成运算放大电路的工作原理；3. 了解传感器的工作原理。了解传感器的工作原理。【知识准备【知识准备】 1.1.集成运算放大电路集成运算放大电路 运算放大器就是能够进行各种数学“运算”的放大器。它是由高放大倍数的直流放大器，并引入深度电压负反馈构成的电路， 按功能分类，集成电路可分为线性集成电路线性集成电路和数字集成电路数字集成电路两种。线线性集成电路性集成电路是输出信号与输入信号,集成运算放大器、集成高、中频放大器、集成稳压器、集成功率放大器等就属于这一类。数字集成电路数字集成电路是用来产生和加工各种数字信号的，如计数器、存储器等。（1）集成运算放大器的组成及主要参数1）集成运算放

4、大器的组成及电路符号 无论是小规模、中规模、还是大规模集成运算放大器，其内部均是由图示框图中的四部分组成的。其中输人级采用差动放大电路，它具有温漂小和输人电阻较高的特点，用于放大微弱的输入信号；中间级在尽量提高通频带的情况下，实现较高的电压增益；输出级一般为射极输出器，用来提高集成运放的输出电流和功率，它具有输出电阻小、带负载能力强的特点；偏置电路用于提供各级放大电路直流偏置，通常采用恒流源电路以起到稳定各级静态工作点和抑制温漂的作用。差分差分输入级输入级中间放大级中间放大级输出级输出级uiu0 （1）集成运算放大器的组成及主要参数1）集成运算放大器的组成及电路符号 a.集成运算放大器的组成无

5、论是小规模、中规模、还是大规模集成运算放大器，其内部均是由图示框图中组成的。运放的输入级。利运放的输入级。利用差分电路的对称用差分电路的对称特性具有温飘小、特性具有温飘小、输入电阻高可提高输入电阻高可提高整个电路的共模抑整个电路的共模抑制比和电路性能。制比和电路性能。中间级的主要作中间级的主要作用是提高电压增用是提高电压增益。一般由多级益。一般由多级放大电路组成。放大电路组成。输出级常用电压跟输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低随器组成，以降低输出电阻，提高带输出电阻，提高带负载能力。负载能力。 集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供

6、合适的工作电流。b.集成运放的电路图形符号集成运放是一种多端电子器件，它有两个对地输入端和，一个输出端，还有两个正负电源端和，以及两个外接调零电位器端。集成运放的电路符号如图所示 集成运算放大器的电路符号集成运算放大器的电路符号 集成运算放大器的外形图集成运算放大器的外形图 其中图（a）为国标符号；图（b）为另一种常见符号。符号中的“”端为反相输入端，表明该端与输出端的信号相位相反；“”端为同相输入端，表明该端与输出端的信号相位相同。 c.常用常用A741集成运放芯片产品实物图集成运放芯片产品实物图A741集成运放的8个管脚排列图如下：12438765调零端调零端 反相输入端反相输入端 同相输

7、入端同相输入端 负电源端负电源端 调零端调零端 输出端输出端 正电源端正电源端 空脚空脚 反相输入端d.A741集成运放图形符号集成运放图形符号U0U+U-A741集成运放外部接线图同相输入端12V12V输出端子调零电位器调零电位器 管脚管脚1和和5分别与调零电位分别与调零电位器的两个固定端相连器的两个固定端相连 调零电位器的可调调零电位器的可调端与管脚端与管脚4相连相连65137242）集成运算放大器的主要参数）集成运算放大器的主要参数 集成运放的参数很多，对于一般分析使用，主要可依据以下几种： 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 它是指运放输入与输出端之间未接任何反馈元件即运放开路情

8、况下的差模电压放大倍数。它等于输出电压 与输入电压 之比。通常运放的 在 之间。差模输入电阻差模输入电阻 和差模输出电阻和差模输出电阻 为输人差模信号时运放的输入电阻。数值越大，对信号源的影响越小。它通常为几十k至几十M。 为输入差模信号时运放的输出电阻。数值越小，说明运放的带负载能力越大。它通常在100300之间。 输入失调电压输入失调电压 和输入失调电流和输入失调电流 由于差动对管 的不完全对称，通常的运放在输入为零时输出不为零，需要外接调零电位器进行补偿，这个补偿电压折算到输人端的电压值就是输入失调电压 ， 越小说明其对称性越好，通常在110 mV之间。 由于差动对管输人电流的不完全对称

9、，当输出电压为零时，两个输入端的静态偏置电流之差称为输入失调电流 ，它通常在15 nA之间。 OdAouuuui410710OdAidRidRodRodRioUioUioUioIioIBEU最大输出电压最大输出电压 它是在规定的电源电压下运放的最大不失真输出电压的峰峰值。在运放双电源的标称工作电压为15v时，它一般可达到土13V。共模抑制比共模抑制比 它反映了运放对共模信号的抑制能力，等于差模电压放大倍数与共模电压放大倍数的绝对值。其值越大越好，用分贝表示，通常在80160 dB之间。 开环带宽开环带宽 它是运放开环电压放大倍数随信号频率升高时下降3 dB时的频率，实际运放的 比较低，通常在几

10、Hz至几十kHz。 转换速率转换速率 它是反映运放在大信号情况下对快速变化信号的反应能力。越大，说明运放的高频特性越好，它通常在1580s之间。 在选择使用集成运放时，一般可选择价格便宜的通用型运放，特殊场合可选择专用型运放。当要求精度较高时，应选择低温漂的高精度型；当要求输出信号反映速度快时，应选择高速型；当要求输出电压高时，应选择高压型。UoppCMRkhfhfRS(2)理想集成运算放大器 的分析方法 由上述运放的主要参数可见，除了频率特性外，实际运放的主要性能均优于普通分立元件。为了分析计算方便，常常把集成运放理想化，即认为所有越大越好的性能指标均假设为无穷大，所有越小越好的性能指标均假

11、设为零。一般分析计算时常用到的理想化指标是： 1）无限大的开环差模电压放大倍数（ ）。 2）无限大的输入阻抗（ ）。 3）输出阻抗为零（r。o）。 4）无限大的带宽和转换速率（ ， ）。 5）无限大的共模抑制比（ ）。 6）两输入端电压相等时，即 时， 。在分析集成运放电路时，用理想化的集成运放代替实际的集成运放会带来一定的误差，但这种误差比较小，在实际应用中是允许的。并且这样处理将使分析问题大大简化。odAidrhfRSCMRKuuouo运放的线性运用运放的线性运用(虚断、虚短）虚断、虚短）指运放的输出电压与输入电压始终保持线性的比例关系。由以上理想化条件，可以得到运放在线性运用时的两点结论

12、： （1）由于 ，两个输入端的输入电流均为零，即 。此时输入端如同断路，故称之为“虚断虚断”； （2）由于 ，可得 0，即此时输入端等电位如同短路，故称之为“虚短虚短”。 运放的非线性运用（比较）运放的非线性运用（比较）指运放的输出电压与输入电压只有在极小的范围内为线性关系，其他情况下输出电压只有高电平和低电平两种状态。由以上理想化条件也可得到两点结论： （1）两个输入端的输入电流均为零，即； （2）当 时，输出电压 为高电平 ；当 时，输出电压 为低电平 。 可见，当运放工作在线性放大状态时，运用“虚断”和“虚短”的概念可以大大简化电路的分析过程，由于实际运放的性能已经接近理想运放，不会造成

13、明显的误差。当运放工作在非线性状态时，运放存在两个输出状态，输出电压的高低取决于两个输入端电压值的比较。idRoiiOdAiuuuoiiuuOHUouuuouoLU（3）集成运算放大器的电压传输特性）集成运算放大器的电压传输特性理想特性理想特性ui(mV)0u0(V)实际特性实际特性 根据集成运放的实际特性和理想特性，可分别画出其相应的电压传输特性。集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系 可以看出，当集成运放工作在线性区(+U0M U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态，使输出电压保持稳定。)(Au0

14、0UUU2.负反馈的概念及对放大电路性能的影响负反馈的概念及对放大电路性能的影响（1）反馈的基本概念）反馈的基本概念 1） 反馈反馈将放大器的输出电压或电流，通过一定的方式“回送”到放大器的输入端叫做反馈。如果反馈信号与放大器原来的输入信号相位相反，对于输入信号起削弱作用，则称它为负反馈，反之，称为正反馈。如图带有反馈网络的闭环系统框图。iXidXfXAFoXiXidXAXFXFXffiidXXXidXXAFAAXXAif1输入信号电压或电流输入信号电压或电流 输出信号电压或电流输出信号电压或电流 反馈系数反馈系数反馈信号反馈信号 差值信号差值信号 开环放大倍数开环放大倍数 闭环放大倍数闭环放

15、大倍数 带有反馈网络的闭环系统框图 例：例： 如下图所示电路中，电阻如下图所示电路中，电阻R1和和R2组成反组成反馈网络，即可判断该电路存在反馈。馈网络，即可判断该电路存在反馈。 R2RLuSrSuoAR12）负反馈的判断方法：首先假定输入信号在某一瞬时的极性为正，再根据放大电路输出和输入反相的原理，逐级地推出各点的瞬时极性，最后看反馈到输入端的信号极性（用 或 表示），若与假定的输入信号极性相反，则为负反馈，否则为正反馈。3）负反馈的基本类型及判断）负反馈的基本类型及判断电压负反馈的反馈信号与放大电路的输出电压成正比。电流负反馈的反馈信号与电压负反馈的反馈信号与放大电路的输出电压成正比。电流

16、负反馈的反馈信号与放大电路的输出电流成正比。若同时考虑到电压、电流反馈和串联、并联反馈，放大电路的输出电流成正比。若同时考虑到电压、电流反馈和串联、并联反馈，则负反馈可组合为四种类型。则负反馈可组合为四种类型。 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）电压串联负反馈）电压串联负反馈 (b) 电压并联负反馈电压并联负反馈 (c) 电流串联负反馈电流串联负反馈 (d) 电流并联负反馈电流并联负反馈 电压负反馈稳定输出电压，电流负反馈稳定输出电流。串联负反馈使输入电阻增电压负反馈稳定输出电压，电流负反馈稳定输出电流。串联负反馈使输入电阻增加，并联负反馈使输入电阻减小。加，并联负反馈使输入电阻减小。

18、(2) 负反馈放大电路的四种类型负反馈放大电路的四种类型RuidAufRfuSrSRLuoArSRLuoRfifiiidiSR(a)(b)RLuSRSAuidufioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)AuoiSRLuSRSAuidufioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)AuoiSRuidAufRfuSrSRLuoArSRLuoRfifiiidiSR(a)(b)电压串联负反馈电压串联负反馈 电压并联负反馈电压并联负反馈 电流串联负反馈电流串联负反馈 电流并联负反馈电流并联负反馈 例例 如图所示为一运算放大器，试求如图所示为一运算放大器，试求Rf形成的反馈类型。形成的反馈类型。R

19、f1Rf2R3R1R4uiRfuoR2uo1ufA2A1解解 首先用瞬时极性法判断反馈的性质：首先用瞬时极性法判断反馈的性质：uiuo1uouid=(ui-uf) 因反馈的作用使得电路的净输入信号增加，故为正反馈；由于反馈电阻因反馈的作用使得电路的净输入信号增加，故为正反馈；由于反馈电阻Rf直接与直接与电路的输出端相连，故应为电压反馈；又由于反馈信号是以电压的形式与输入电电路的输出端相连，故应为电压反馈；又由于反馈信号是以电压的形式与输入电压相叠加，因此是串联反馈；即压相叠加，因此是串联反馈；即Rf形成了电压串联正反馈。形成了电压串联正反馈。（3） 负反馈放大电路增益的一般表达式负反馈放大电路

20、增益的一般表达式 FAAXXAif111FA当当 时，称为深度负反馈，放大电路的闭环增益可近似表示为时，称为深度负反馈，放大电路的闭环增益可近似表示为FFAAFAAAf11（4）负反馈对放大器性能的影响）负反馈对放大器性能的影响在放大电路引入负反馈后，虽然放大倍数有所下降，但从多方面改善了放大在放大电路引入负反馈后，虽然放大倍数有所下降，但从多方面改善了放大电路的性能。电路的性能。1）提高放大倍数的稳定性）提高放大倍数的稳定性FAf/1这就是说，放大电路的增益近似取决于反馈网络这就是说，放大电路的增益近似取决于反馈网络 ，与基，与基本放大电路几乎无关。本放大电路几乎无关。 F2）减小非线性失真

21、）减小非线性失真 大小大小大小引 入 负 反 馈 后 波 形AFAiXoXoXiXiXfX(a)(b)(a) 无负反馈时信号的波形无负反馈时信号的波形 (b) 引入负反馈后信号的波形引入负反馈后信号的波形 3）扩展频带）扩展频带有负反馈时的频率特性，放大倍数降低了，但通频带展宽了。4）改变输入电阻和输出电阻）改变输入电阻和输出电阻 对输入电阻的影响输入电阻的改变情况，显然只取决于输入端的反馈方式，即串联或是并联。 对输出电阻的影响输出电阻的改变情况，显然只取决于输出端的反馈方式，即电压或是电流。 集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。1. 集成运放的线性应用负号说明输负号说明输入输出反

22、相入输出反相由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011 RuiRuifi，由图可知fii 1所以F01RuRuiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=0整理后可得i1F0uRRu输出与输入输出与输入的比例值的比例值3. 基本运算电路(1)反相比例运算电路反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合F12/ RRR (2)同相比例运算电路由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011 RuuiRuifi，由图可知fii 1所以F01RuuRuiiu+ui1ifuiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u= u+=ui整理后可得i

23、1F0)1 (uRRu输出与输入输出与输入的比例值的比例值 显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，R2=R1/RF(3)反相加法运算电路反相电路存在“虚地”现象，因此2i221i11 RuiRui，因为fiiii321可得u= u+= “地”F03i33 RuiRuif，将各电流代入F03i322i11 iRuRuRuRu如果321RRR整理上式可得)(3i2i1 i1F0uuuRRu若再有F1RR 则)(3 i2i1 i0uuuu实现了反相求和运算u+uu0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if(4)差分减法运算电路u+ui1if

24、ui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，则2i2323i2uRRRuuu1i2i111 i12/RuuRuuiF20F02/RuuRuuiif因为fii 1不存在不存在“虚地虚地”现现象象所以F2i012ii12/2/RuuRuu整理得)(1 ii21F0uuRRu若R1=RF，则1 ii20uuu实现了输出对输入的减法运算。(5)基本积分运算电路u+ui1ifuiu0ifu0R1R2积分电路也存在“虚地”现象，即dtiCuufC101可知u= u+= “地”111iRiRiuf因为dtuCRui1101将i1代入u0表达式得 电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。式中的比例

25、常数R1C1称为电路的时间常数。RF 反相比例运放中的反相比例运放中的偏置电阻用电容代偏置电阻用电容代替即为积分电路替即为积分电路CF1i1110 1RuidtiCu，其中所以(6)基本微分运算电路微分电路也存在“虚地”现象，即dtduCdtduCii1C11可知u= u+= “地”微分电路可用微分电路可用于波形变换，于波形变换，将矩形波变换将矩形波变换成尖脉冲；且成尖脉冲；且u0与与ui相位相位F0i11RudtduCiif因为dtduCRui1F0所以 电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的微分。式中的比例常数RFC1称为电路的时间常数为保证电路的平衡， RF=R2uit0u0t0u+u

26、i1ifuiu0C1RFuCifu0RFR24.电压比较器(1)单限电压比较器 利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=0uiu0 由于门限电压等于由于门限电压等于0，因此，因此为过零电压比较器。为过零电压比较器。ui0tu00tUCMUCM 输入电压只要到达门限电输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生压值，输出电压即可发生跳变。跳变。(2)滞回比较器 滞回比较器又称施密特触发器，传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。电路及曲线图如下所示：uiR1R4u0R3R2DZUOMU0MUB1UB2当当ui等于或大于等于或大于UB1时时u0ui0门限电平值门限电平值当当ui小等于或小于小等于或小于UB2时时 滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电路，也可以实现波形变换。滞回比较器的特点1、具有双门限UB1和UB2； 2、电路具有正反馈环节；3、电路的抗干扰能力强。滞回比较器应用实例ui (V)t010- -10tu0 (V)07- -7当门限