小型家用空调温度控制器的制作与调试.docx
《小型家用空调温度控制器的制作与调试.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型家用空调温度控制器的制作与调试.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
小型家用空调温度控制器的制作与调试
小型家用空调温度控制器的制作与调试
一、集成运算放大器
1.集成运放的特点
（1）级间采用直接耦合方式
在集成电路工艺中难于制造电感元件，制造容量大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。
（2）电路结构和参数具有对称性
由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好。
（3）用有源器件代替无源器件
集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为100Ω-20KΩ，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。
2.集成运放的组成与各部分的作用
集成运算放大器一般由四部分组成，见图3-1所示。
图3-1集成运放的组成框图
（1）输入级：
要求输入电阻大、差模放大倍数高、抑制零点漂移和共模干扰信号的能力强，大多采用采用两个端子的差分放大电路。
（2）中间级：
提供足够的电压放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路，本身还应有高的输入电阻，以减小对前级的影响。
（3）输出级：
与负载相接，为了提高电路驱动负载的能力，要求输出电阻小、带负载能力强，一般采用互补对称电路或射级输出器构成。
（4）偏置电路：
为各级放大电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，大多数由恒流源电路组成，有的级（如输出级）也采用恒压源偏置。
图3-2集成运放的符号
3.集成运放的符号
如图3-2所示。
4.集成运放的主要参数
集成运放内部电路实际上是一个直接耦合的多级放大电路，与其它电子器件一样，需对其静态和动态的性能参数进行研究，以下介绍几个最常用的性能指标。
（1）差模电压放大倍数Aud
（2）共模电压放大倍数Auc
（3）差模输入电阻rid
（4）输出电阻ro
（5）共模抑制比KCMR
（6）温度漂移
（7）输入失调电压Uos和失调电流Ios
二、理想集成运算放大器
为了能够更简洁地分析集成运放电路，在大多数情况下将其视为理想的集成运放，即将集成运放的各项性能指标（参数）最优化。
1.运放的理想化参数
（1）开环电压放大倍数Aud=∞；
（2）差模输入电阻rid=∞；
（3）输出电阻ro=0；
（4）共模抑制比KCMR=∞。
实际上，集成运放的技术指标均为有限值，理想化后必然带来分析误差。
但是在一般的工作中，这些误差都是允许的。
而且，随着新型集成运放的不断出现，性能指标越来越接近理想值，误差也越来越小。
本项目若无特别说明，均按理想运放对待。
2.运放工作的两个区域及特点
在集成运放应用电路中，运放的工作范围有两种情况：
工作在线性区和工作在非线性区。
（1）线性区（引入负反馈）
①虚短
，即
。
这一特性称为理想运放输入端的“虚短”。
②虚断
。
这一特性称为理想运放输入端的“虚断”。
（2）非线性区（开环状态或者引入正反馈）
①虚短不成立
时，
；
时，
②虚断
理想运放工作在非线性区时，由于
，而加到运放输入端的电压总是有限值，所以不论输入电压是差模信号还是共模信号，两个输入端的电流均为无穷小，即仍满足“虚断”的条件：
。
三、集成运放的线性应用
当集成运放工作在线性区时，可以组成各类信号运算电路，主要有比例运算电路、加减法运算电路、微积分运算电路，其中比例运算电路是其他各种运算电路的基础。
（一）反相比例运算放大电路
1.电路组成
图3-3所示为反相比例运算放大电路，输入信号经R1加入反相输入端，Rf为反馈电阻，把输出信号电压uo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。
由于集成运放工作在线性区，u+=u-、i+=i-，即流过R2的电流为零。
则u+=0，u-=u+=0，说明反相端虽然没有直接接地，但其电位为地电位，相当于接地，是“虚假接地”，简称为“虚地”。
“虚地”是反相输入式放大电路的重要特点。
2.uo与ui关系及电压放大倍数Auf
由虚断ii=if，即：
得：
则：
式中Auf是反相比例运算电路的电压放大倍数，它是一个定值，只与电路外接电阻有关，而与集成运放本身参数无关；而且输出电压与输入电压大小成一定比例，极性相反，上述电路完成了对信号的反相比例运算，故称为反相比例运算放大电路。
，当Rf=R1时，Auf=-1,即输出电压和输入电压的大小相等，相位相反，此电路称为反相器。
静态时，为了使输入级的偏置电流平衡并在集成运放两个输入端的外接电阻上产生相等的电压降，以消除零漂，平衡电阻R2须满足R2=R1//Rf。
（二）同相比例运算放大电路
1.电路组成
图3-4所示为同相比例运算放大电路，输入信号经R2加到集成运放的同相输入端，反相端经电阻R1接地，在输出端与反相端间有反馈电阻Rf，引入电压串联负反馈。
R2仍为平衡电阻（R2=R1∥Rf）。
2.uo与ui关系及电压放大倍数Auf
由虚短和虚断得u+=u-=ui，说明在运放的两端引入了共模电压，因ii=if，即：
整理得：
则：
通过上述公式可以看出，输出电压uo与输入电压ui同相且成一定比例变化，故称这种电路为同相比例运算放大电路。
同相比例运算放大电路的闭环放大倍数Auf也仅取决于外围电路的电阻值，且大于1。
图3-3反相比例运算放大电路图3-4同相比例运算放大电路
在图3-4中如果把Rf短路（Rf=0），把R1断开（R1→∞），则：
，即：
此时电路构成电压跟随器，如图3-5所示。
图3-5电压跟随器
（三）加法运算电路
1.反相加法运算电路
反相加法运算电路如图3-6所示。
两个输入信号均作用于集成运放的反相输入端。
根据分析电路的两条重要结论，并利于“虚短”和“虚断”的概念，有
式中负号是因为在反相端输入所引起的。
若R1=R2=Rf，则输出电压的表达式变为uo=-（ui1+ui2）。
2.同相加法运算电路
同相加法运算电路图3-7所示。
两个信号ui1、ui2同时加到同相输入端，反相输入端
外接电阻R接地，电阻Rf引回电压串联负反馈。
运用叠加原理，根据两条重要结论，可求得：
若R1=R2=R3，则:
图3-6反相加法运算电路图3-7同相加法运算电路
（四）减法运算电路
图3-8为一减法运算电路。
图3-8减法运算电路
如果选取电阻值满足Rf//R1=R3//R2的关系，输出电压可简化为：
当R1=R2时，则有：
即输出电压uo与两输入电压之差（ui2-ui1）成比例，故称减法运算电路。
（五）积分运算电路与微分运算电路
积分运算和微分运算互为逆运算，在自控系统中，常用积分电路和微分电路作为调节环节；此外，他们还广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中。
1.积分运算电路
积分运算电路可实现积分运算及产生三角波等，输出电压与输入电压呈积分关系。
它是利用电容的充放电来实现积分运算的。
如图3-9所示为积分运算电路，由“虚地”和“虚断”可得，输出电压为：
图3-9积分运算电路
2.微分运算电路
图3-10所示为微分运算电路。
图3-10微分运算电路
上式表明，输出电压uo与输入电压ui的微分成正比，该电路实现了对输入信号求微分的运算，故称之为微分电路。
RfC为微分时间常数，其值越大，微分作用越强；反之，微分作用越弱。
由于微分电路对输入信号中的快速变化分量敏感，易受外界信号的干扰，尤其是高频信号干扰，因此使电路抗干扰能力下降。
一般地，在电阻Rf上并联一个很小容量的电容器，以增强高频负反馈量，从而抑制高频干扰。
四、集成运放的非线性应用
（一）集成运放工作在非线性状态基本分析方法
1.集成运放工作在非线性状态的判定：
电路开环或引入正反馈。
2.集成运放工作在非线性状态的分析方法：
时，
（高电平输出）；
时，
（低电平输出）
3.集成运放的非线性应用→构成电压比较器
（二）单门限比较器
用集成运放构成的单门限比较器有两种：
反相输入的单门限比较器和同相输入的单门限比较器。
下面以反相输入的单门限比较器为例来进行学习。
1.电路组成
如图3-11所示，将输入电压ui加在反相输入端，参考电压UR加在同相输入端，即可构成反相输入的单门限比较器。
3-11反相输入的单门限比较器图3-12电压传输特性
2.工作原理
当
，即
时，
（高电平输出）；
当
，即
时，
（低电平输出）。
这样得到该电路的电压传输特性如图3-12所示。
若图3-11中UR=0，则就变为过零比较器，如图3-13所示。
过零比较器：
其阈值电压UT=0，集成运放工作在开环状态，当输入电压小于0时，输出达到正最大；当输入电压大于0时，输出电压达到负最大。
若要想获得输出电压跃变方向相反的电压传输特性，则应在电路中将反相输入端接地，而在同相输入端接输入电压。
其电压传输特性如图3-14所示。
该电路即可作为零电平检测器，也可用于“整形”，将不规则的输入信号的波形整形为规则的矩形波，也可实现波形的转换。
例如，利用过零比较器将正弦波转化为方波，如图3-15所示。
图3-13过零比较器
3-14电压传输特性3-15正弦波变方波
单门限电压比较器结构简单，灵敏多高，但是抗干能力差，因此我们就要对它进行改进。
改进后的电压比较器有：
滞回比较器和窗口比较器。
在此对它们不作要求。
五、集成运放应用中要注意的问题
在集成运算放大电路的应用中，会碰到一些实际问题，如果对这些问题不了解和不设法解决，使用起来将十分困难，甚至根本不能工作。
这些问题主要是：
偏差调整、保护措施及性能扩展等。
1.偏差调整
对一个单片集成运放，总是要求输入为零时，输出也为零。
但在实际中往往做不到，主要原因是运放中第一级差动放大电路存在着失调电压和失调电流，以及使用过程中电路上某些不合理之处引起的。
为了减小偏差电压，就要求：
（1）失调电压、失调电流尽可能地小；
（2）两个输入端的直流电阻一定要相等；
（3）输入端总串联电阻（RS1、RS2）不能过大；
（4）偏流应尽可能的减小。
这几条减小偏差的要点是使用运放中十分重要的问题。
实际运放都有偏差调整端子，如F007中的①、⑤端子，①、⑤端子之间往往接一个凋零电位器。
这里要注意偏差调整电路（调零电路）仅能人为做到零输入时零输出，而温度变化产生的失调温漂并不能通过调零电路来消除。
2.保护措施
集成运放的电源电压接反或电源电压突变，输入电压过大，输出短路等，都可能运放造成运放损坏，因此，使用时必须采取适当的保护措施。
（1）输入保护
（2）电源极性错接保护
（3）输出保护
3.性能扩展
实际运放的某些参数有时不能满足实际电路中的要求，如有时需要有较高的输入电阻、有时需要有较大的输出功率，有时需要高速低漂移等，这时就需要在现有集成运放的基础上，增加适当的外围电路进行功能改善。
针对有关运放实际应用中的一些具体方法、措施可参阅有关详细资料。
任务小结
了解集成运算放大器的组成及特点，认识运放的符号，并理解理想运放的特点；通过认识与检测运算放大器，加深对集成运放的认识，并掌握检测试集成运算放大器性能好坏的方法。
升级会员 