学习情境5 电冰箱温度控制

学习情景5电冰箱温度控制器的调试及分析【任务目标】技能目标：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。会调整温度控制范围。会计算选择元器件。知识目标：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（线性电路、非线性电路）。集成运算放大器的应用。任务5.1运算放大电路的分析、调试【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，掌握组成运算电路的分析方法。【任务分析】技能目标1.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。【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；2.会应用“虚短”、“虚断”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。【知识准备】1.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和数字集成电路两种。线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。差分输入级中间放大级输出级ui+_u0（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。利用差分电路的对称特性具有温飘小、输入电阻高可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。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μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚反相输入端d.μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋2）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：①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。②差模输入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kΩ至几十MΩ。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100～300Ω之间。③输入失调电压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1～10mV之间。由于差动对管输人电流的不完全对称，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1～5nA之间。OdAouuuui410710OdAidRidRodRodRioUioUioUioIioIBEU④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。⑤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80～160dB之间。⑥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3dB时的频率，实际运放的比较低，通常在几Hz至几十kHz。⑦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1．5～80Ⅴ／μs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。odAidrhfRSCMRKuuouo运放的线性运用(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：（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”；（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”。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。idRoiiOdAiuuuoiiuuOHUouuuouoLU（3）集成运算放大器的电压传输特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)线性区实际特性－U0M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饱和区可以看出，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。)(Au00UUU2.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1）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。iXidXfXAFoXiXidXAXFXFXffiidXXXidXXAFAAXXAif1输入信号电压或电流输出信号电压或电流反馈系数反馈信号差值信号开环放大倍数闭环放大倍数带有反馈网络的闭环系统框图例：如下图所示电路中，电阻R1和R2组成反馈网络，即可判断该电路存在反馈。R2RLuSrSuo＋－A＋－R1＋－~2）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。RLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuo＋－Auid＋－Fuf＋－＋－~＋－~(a)(b)AF＋－A＋－＋＋－－＋－＋－(c)(d)rSiiifiidRLuo＋－FAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuo＋－Auid＋－Fuf＋－＋－~＋－~(a)(b)AF＋－A＋－＋＋－－＋－＋－(c)(d)rSiiifiidRLuo＋－FAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuo＋－Auid＋－Fuf＋－＋－~＋－~(a)(b)AF＋－A＋－＋＋－－＋－＋－(c)(d)rSiiifiidRLuo＋－FAFRLuSrSuiRLuorSiiiidiSifRLuSrSuouidufuiiSuo＋－Auid＋－Fuf＋－＋－~＋－~(a)(b)AF＋－A＋－＋＋－－＋－＋－(c)(d)rSiiifiidRLuo＋－FAF（a）电压串联负反馈(b)电压并联负反馈(c)电流串联负反馈(d)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加，并联负反馈使输入电阻减小。(2)负反馈放大电路的四种类型Ruid＋－Auf＋－Rf＋－uS＋－rSRLuo＋－＋－ArSRLuo＋－RfifiiidiSR(a)(b)~RLuSRS＋－A＋－uid＋－uf＋－ioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)~＋－AuoiSRLuSRS＋－A＋－uid＋－uf＋－ioR(a)rSRLuoRfifiiid(b)~＋－AuoiSRuid＋－Auf＋－Rf＋－uS＋－rSRLuo＋－＋－ArSRLuo＋－RfifiiidiSR(a)(b)~电压串联负反馈电压并联负反馈电流串联负反馈电流并联负反馈例如图所示为一运算放大器，试求Rf形成的反馈类型。Rf1Rf2R3R1R4uiRfuoR2uo1uf＋－＋－A2＋－A1解首先用瞬时极性法判断反馈的性质：ui↑→uo1↑→uo↓→uid=(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Rf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压相叠加，因此是串联反馈；即Rf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FAAXXAif111FA当时，称为深度负反馈，放大电路的闭环增益可近似表示为FFAAFAAAf11（4）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电路的性能。1）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，与基本放大电路几乎无关。F2）减小非线性失真大小大小大小引入负反馈后波形AFAiXoXoXiX