项目4 红外线报警器电路的制作、调试与检测

1、计算机电路基础机械工业出版社.9常州信息职业技术学院 翟文正 2019 1项目4 红外线报警器电路的制作、调试与检测2项目4 红外线报警器电路的制作、调试与检测学习目标：了解集成运算放大器的组成原理；了解差动放大电路的组成、工作原理；掌握负反馈放大电路的组态判别方法；了解负反馈对电路性能的影响。熟练掌握集成运放组成运算电路的分析与计算方法；掌握电压比较器的工作原理及分析方法；了解正弦波产生电路的组成及工作原理。4.1.1 多级放大电路组成4.1 认识集成运算放大器3多级放大电路的耦合方式：阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接电容器的隔直流通交流特点，各级放大电路的直流工作点相互独立耦合电

2、容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。4.1.2 集成运放组成及特点4（1）输入级直接耦合放大电路存在零点漂移问题，特别是多级放大电路的第一级的温漂影响尤其严重，因此必须采取有效措施抑制温漂。因此集成运算放大器的第一级放大电路多采用差分放大电路。 4.1.3 基本差分放大电路（1）电路的组成与工作原理当两个输入端短路，即时 ，由于温度等因素变化所引起的放大电路静态工作点漂移，对两只三极管来说是相同的，即 ，输出电压仍将保持为零。差分放大电路是利用电路的对称性来抵消两管的温漂的。5（2）共模放大倍数 大小相等、极性相同的两个输入信号称为共模输入信号，记为UI

3、C， 显然 共模输出电压 与共模输入电压 之比为共模电压放大倍数 理想情况下，差分放大电路的共模电压放大倍数为零。但在实际电路，不可能存在完全对称的元件与电路，所以Auc不会为零，但在集成电路中，由于元件的对称性非常好，Auc很小。 （3）差模放大倍数如果两个输入端输入的信号大小相等、极性相反，这样的输入信号为差模输入信号， ，则输出端的电压为 定义差模电压放大倍数为 差分放大电路对差模信号的电压放大倍数等于该差分放大电路的半边电路的电压放大倍数。 6（4）共模抑制比对一个特性好的差分放大电路来说，既要尽量大的差模放大倍数，又尽可能地抑制共模信号。差分放大电路抑制共模信号的能力，定义为共模抑制

4、比，用KCMR表示工程上，一般用分贝为单位来表示KCMRKCMR越大，差分放大电路对共信号的抑制能力就越强。当双端输出差分放大电路完全对称（理想电路）时，其共模电压放大倍数为零，因此共模抑制比为KCMR=。 74.1.4 长尾式差分放大电路 长尾式差分放大电路是在基本差放基础上，在两管的发射极接一个射极电阻Re，并与一个负电源UEE相连，由于射极电阻接负电源-UEE，就好像拖着一个尾巴，故也称为长尾式差分放大电路。 射极电阻Re的作用：当电路两端输入共模信号时，将使每个三极管的射极电流增加IE，那么流过Re的总电流增加2IE ，相当于每个电路射极接上一个2Re电阻，这将大大抑制共模信号对管子的

5、输入，使共模放大倍数下降。而当电路输入差模信号时，使一管的电流增加的同时，另一端的电流减小相同的值，因此射极电阻Re上相当于没有交流电流流过，可视为“断路”。Re不影响输入信号的差模放大。89 集成电路是相对于分立元件而言的，它是20世纪60年代发展起来的一种半导体器件，是在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路称为集成电路（Integrated Circuit，IC）。由于它具有体积小，重量轻、性能好、功耗低，而且元件之间引线短、焊点少，电路工作可靠性较高等一系列优点而得到广泛的应用。 集成运算放大电路也可称为集成运算放大器（Integrate

6、d Operational Amplifier），简称集成运放，它是实现高增益放大功能的一种集成器件。早期主要用于实现模拟信号的各种运算，例如比例、加法、减法、积分、微分、乘除、指数对数等等运算。目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，广泛用于信号处理、测量和波形发生等各个领域。 4.1.5 集成运算放大器简介104.1.6 集成运算放大器的组成输入级通常要求有较低的零点漂移、较高的共模抑制能力和较高的输入阻抗，因此一般采用差分放大电路。中间级主要承担电压放大任务，一般采用多级共射放大电路。输出级要求具有较小的输出电阻、一定的功率输出和一定的带负载能力，因此输出级多采用互补对称功率放大

7、电路等。偏置电路主要用于向集成运放的各级电路提供偏置电流，设置合适的静态工作点。一般采用电流源的形式作为偏置电路。 集成运放的电路符号如图4-6-2所示。因为其输入级通常采用差分放大电路，所以集成运放有两个输入端和一个输出端。两个输入端分别为反相输入端（图中标记“-”的端子）和同相输入端（图中标记“+”的端子）。反相输入端的输入电压与它产生的输出电压相位相反，所以称为反相输入电压，用表示；同相输入端的输入电压与它产生的输出电压相位相同，称为同相电压，用表示。 A741（国内对应型号F007）是一种应用十分广泛的通用型集成运算放大器件。 4.1.7 理想运算放大器的技术指标 所谓理想运放, 就是

8、将集成运放的各项技术指标理想化，即满足理想化条件的运放应具有无限大的差模增益和共模拟制比、无限大的差模输入电阻、趋于零的输出电阻、无限大的频带宽度以及趋于零的失调和漂移。 （1）开环差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。（2）差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大23个量级即可。（3）输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。（4）共模抑制比足够大，KCMR = 。（5）带宽足够宽，上限截止频率 fH= 。（6）失调电压、失调电流和温漂均为零，且无任何内部噪声 。 4.1.8 理想运放工作在线性区的特点 在集成运放工作范围可有两种情况，即

9、工作在线性区或非线性区。当工作在线性区时，集成运放的输出电压与输入电压之间为线性放大关系Aod是开环差模放大倍数。 由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uPuN)的数值仅为几十一百多V。当其大于此值时，集成运放的输出不是UOM , 就是UOM ，即集成运放工作在非线性区。4.1.9 理想运放工作在线性区的特点 由于uo为有限值，而理想运放的Aod=，因此净输入电压可看作虚短 由于理想运放的差模输入电阻rid=，可以看作两个输入端是“断开”的，故输入电流均为零 虚断 “虚短”：运放的同相输入端和反相输入端的电位“无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。“虚断”

10、：运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于0，好象断路一样，但却不是真正的断路。 理想运放工作于线性区，因其放大倍数趋于无穷大，所以在输入端只要加一个非无穷小的电压，其输出就会超出其线性工作区，因此，只有电路引入负反馈，才能使其工作于线性区。（3）理想集成运放工作于非线性区 电路中没有引入负反馈或引入的是正反馈，理想运放工作于非线性区。因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：164.2.1 反馈的基本概念 通过一定的方式将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部回送到放大电路的输入端，并对输入量（电压或电流）产生影响，这个过程称为反馈。 通常将连接输入回路与输出回路的反馈元件，称为

11、反馈网络；把没有引入反馈的放大电路，称为基本放大电路或开环放大电路；把引入反馈的放大电路称为反馈放大电路或闭环放大电路。 分压式电流负反馈偏置电路就是具有反馈环节的电路 4.2 放大电路中的负反馈174.2.2 反馈放大电路的类型及判别 （1）正反馈和负反馈根据反馈信号对输入信号所起作用可分为正反馈和负反馈：如果反馈信号增强了原来的输入信号对电路的作用，使电路的放大倍数增大，则称为正反馈；如果反馈信号削弱了输入信号对电路的作用，使电路的放大倍数减小，则称为负反馈。通常采用“瞬时极性法”判别放大电路中引入的是正反馈还是负反馈。先假定输入信号在某一瞬时极性为“+”，然后根据各级电路输入、输出电压相

12、位关系（对于集成运放，uo与u+同相，uo与u-反相），逐级推出其它相关各点的瞬时极性，最后判断反馈到输入端的信号是增强了还是减弱了净输入信号。18（2）电压反馈和电流反馈根据反馈信号在放大电路输出端不同的采样方式，可分为电压反馈和电流反馈。在电压反馈中，反馈信号取自输出电压，或者说反馈信号与输出电压成正比；在电流反馈中，反馈信号取自输出电流，或者说反馈信号与输出电流成正比。采用“负载短路法”判别：假设将放大电路的负载RL 短路，即输出电压为零，此时若反馈信号也为零，则说明反馈信号与输出电压成正比，属于电压反馈；反之，如果反馈信号依然存在，则表示反馈信号不与输出电压成正比，属于电流反馈。19（

13、3）串联反馈和并联反馈根据放大电路输入端输入信号和反馈信号的比较方式，反馈又可分为串联反馈和并联反馈。如果反馈信号与输入信号进行电压比较，即反馈信号与输入信号是串联连接，则称为串联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入端进行电流比较，即反馈信号与输入信号并联连接，则称为并联反馈。采用输入回路的反馈节点“对地短路法”判别：若反馈节点对地短路时，输入信号作用仍存在，则说明反馈信号和输入信号相串联，故所引入的反馈是串联反馈。若反馈节点接地时，输入信号作用消失，则说明反馈信号和输入信号相并联，故所引入的反馈是并联反馈。20【例4-6】在图示电路中引入了何种反馈？试判断其反馈极性和反馈类型。 【解】该电路是

14、两级放大电路，电阻R2和R4引入的是局部反馈，即对于第一级集成运放A1由R2引入了电压并联负反馈，对于第二级A2由R4引入的也是电压并联负反馈。另外，还有一条导线将输出回路和输入回路连接了起来，因此整个电路也引入了反馈，故将此称为级间反馈。通常主要讨论的是级间反馈。 根据瞬时极性法，该反馈是负反馈；将输入端反馈节点a接地，输入信号仍可从反相端输入，故是串联反馈；在输出端将RL短接，由于输出电流的作用，反馈电压uf依然存在，所以是电流反馈，由此可得该电路所引入的反馈是电流串联负反馈。21224.2.3 负反馈放大器的基本关系式 基本放大电路的放大倍数，也称为开环增益为 反馈网络的反馈系数为 闭环

15、放大倍数，即闭环增益为 净输入信号反馈信号为负反馈放大器的闭环放大倍数是开环的基本放大电路放大倍数的1/（1+AF）倍，式中的（1+AF）称为反馈深度。当(1+AF)1时，AfA，即引入反馈后，放大倍数减小了，说明放大电路引入的是负反馈；当(1+AF)A，即引入反馈后，放大倍数比原来增大了，说明放大电路引入的是正反馈； 当(1+AF)=0，即AF=-1时，Af，说明放大电路在没有输入信号时，也有输出信号，放大电路产生了自激振荡，这种情况应避免发生。在负反馈的情况下，如果反馈深度(1+AF)1，则称为深度负反馈 4.3.1反相比例运算电路4.3 基本运算电路4.3.2同相比例运算电路 输入信号通

16、过Rb接入运放的同相输入端，电路引入的是电压串联负反馈。根据“虚短”和“虚断”的概念， 可得 对于同相比例运算电路，当Rf=0，R1=时，电路变为如图5-2-3所示的电路，此时Af=1，即输出电压与输入电压大小相等、相位相同，这种电路称为电压跟随器。 4.3.3 加法电路 ， 当 时，【例4-1】图所示电路为一同相比例加法电路。试写出其输出电压的表达式。 【解】 4.3.4 减法电路 当两个输入信号分别加在运放的同相输入端和反相输入端时，此时的电路就是减法运算电路。 当反相端输入信号ui1单独作用时，令ui2=0，此时电路为反相比例运算电路，输出电压uo1为 当同相端输入信号ui2单独作用时，

17、令ui1=0，此时电路为同相比例运算电路 【例4-2】试用一个运算放大器完成如下运算关系： 且要求每路输入电阻不小于 10k。 【解】由于运算表达式可以看出，本题要求有两个输入，且两个输入信号的关系是相减关系，故可用减法电路来实现。 选R1=15k，则Rf=4R1=60k，R2=Rf/2=30k。且根据两输入端电阻平衡条件，有R1Rf=R2R3，解得R3=20k。 对所求结果进行检验。【例4-3】电路如图示。A1、A2为理想运放， (1) 写出Au=uo/ui的表达式； (2) 写出输入电阻Ri=ui/ii的表达式，并讨论该电路能够稳定工作的条件；【解】（1）两个运放都外加有负反馈, 所以都工

18、作在线性区。并且运放A2又构成了运放A1的反馈网络。从图中可以看出，A1构成的电路是反相比例电路，所以（2）这又是一个由理想运放构成的高输入阻抗放大器，求其输入电阻ri。314.3.5 积分电路 32【例4-4】写出图示电路的输出电压表达式。 【解】在运放的反相输入端，由于电流 而在同相输入端，电流 4.3.6 微分电路 积分电路中反相输入端的电阻与反馈网络中的电容位置互换，就构成了微分运算电路， ，4.3.6 三运放电路 +A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+4.3.6 三运放电路 +A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+i1-i2-i+ =0i- =0,u-= u+,R、RW、R三个电阻可视为串联4.3.6 三运放电路 uoR1R1+A3R2R2uo1uo2+A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=例4.6 由三运放放大器组成的温度测量电路 uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui ui =Rt - R2(Rt+R)URt 热敏电阻uo= ui=Rt - R2(Rt+R)URt=f(TC)集成化:仪表放大器384.4.1 电压比较器 图所示电路就是一个简单的电压比较器。