运算放大器的参数选择

1 运算放大器的参数指标运算放大器的参数指标 1 开环电压增益 Avd 开环电压增益 差模增益 为运算放大器处于开环状态下 对小于 200Hz 的交流输入 信号的放大倍数 即输出电压与输入差模电压之比 它一般为 104 106 因此它在电路 分析时可以认为无穷大 2 闭环增益 AF 闭环增益是运算放大器闭环应用时的电压放大倍数 其大小与放大电路的形式有关 与放大器本身的参数几乎无关 只取决于输入电组和反馈电阻值的大小 反相比例放大器 其增益为 AF RI RF 3 共模增益 Avc 和共模抑制比 当两个输入端同时加上频率小于 200Hz 的电压信号 Vic 时 在理想情况下 其输出电 压应为零 但由于实际上内部电路失配而输出电压不为零 此时输出电压和输入电压之比 成为共模增益 Avc 共模抑制比 Kcmr Avc Avd 共模增益 运算放大器的差模增益 通常以对数关系表示 Kcmr 20log Avc Avd 共模增益 运算放大器的差模增益 共模抑制比一般在 80 120Db 范围内 它是衡量放大器对共模信号抑制能力高低的重 要指标 这不仅是因为许多应用电路中要求抑制输入信号中夹带的共模干扰 而且因 为信号从同相端输入时 其两个输入端将出现较大的共模信号而产生较大的运算误差 4 输入失调电压 在常温 25 下当输入电压为零时 其输出电压不为零 此时将其折算到输入端的 电压称为输入失调电压 它一般为 0 2 15 mV 这就是说 要使放大器输出电压 为零 就必须在输入端加上能抵消 Vio 的差值输入电压 5 输入偏置电流 在常温 25 下输入信号为零 两个输入端均接地 时 两个输入端的基极偏置电 流的平均值称为输入偏置电流 即 IIB IIB IIB 2 1 它一般在 10nA 1uA 的范围内 随温度的升高而下降 是反映放大器动态输入电阻大 小的重要参数 6 输入失调电流 IIO 输入失调电流可表示为 2 IIO IIB IIB 在双极晶体管输入级运算放大器中 IIO约为 0 2 0 1 IIB 或 0 2 0 1 IIB 当 IIO 流过信号源内阻时 产生输入失调电压 而且它也是温度的函数 7 差模输入电阻 RID 在一般应用电路中 输入阻抗是指差模输入电阻 RID 它一般为 100K 1M 高输 入阻抗运算放大器的差模输入电阻可达 1013 8 温度漂移 输入失调电压 输入失调电流和输入偏置电流等参数均随温度 时间和电源等外界条 件的变化而变化 其中输入偏置电流的变化是造成放大器温度漂移的主要原因 对于 双极晶体管输入级运算放大器 输入偏置电流随温度上升而变小 数量级为 nA 级 9 输出峰 峰电压 输出峰 峰电压是在电源电压和负载为额定值时 运算放大器的最大峰 峰电压 例 如 uA741 在 15V 电源电压下工作时 其输出峰 峰电压约为 14V 它实际上随电 源电压 负载电流和工作频率的变化而变化 10 最大输出电流 IOM 运算放大器在保持输出峰 峰电压的情况下所能提供的最大输出电流用 IOM表示 一 般约为 10 20mA 11 开环输出电阻 ROS 运算放大器在开环状态下 其输出电压变化量和输出电流变化量之比称为输出电阻 它的大小反映运算放大器的负载能力 一般在几百欧姆的数量级 运算放大器的基本单元运算放大器的基本单元 1 加法器 Vo 2 2 1 1 VI RI RF VI RI RF 2 减法器 3 Vo 1 1 2 2 1 1 VI RI RF VI RPRI RP RI RFRI 如果选取电阻值满足 RF RI1 RP RI2 的关系 则输出电压 Vo 可简化为 Vo 12 1 VIVI RI RF 3 微分器 4 积分器 4 5 线性整流电路 如果将电路中的两个二极管同时反接 则变成为正极性输入电压线性整流电路 如果 不接入二极管 D1 则输入信号为正时 D2 截止 放大器变成开环 不能保持虚地 就不 能成为整流电路 5 6 绝对值电路 在线性半波整流电路的基础上 加上一级加法器 就组成了绝对值电路 其中前级组 成负极性输入电压半波整流 在 RI RF 的条件下 输入电压与 V1 的关系为 V1 0 当 VI 0 时 V1 VI 当 VI 0 时 V1 0 在 RI2 RF1 的条件下 Vo VI 当 VI VI 输出 电压就为正输出极限 Vg 反之则为负输出极限 Vd 同时放大器不加补偿网络 有利 于提高比较速度 任意电平比较器 它将输入信号与某一非零给定电压进行比较 放大器接成加法器 给定电压和输入信号分别从经两个输入电阻输入 忽略由输入失调电压和失调电流所 产生的误差 在 IF 为正时 输出为负极限幅值 在 IF 为负时 输出为正极限幅值 IF 为零时的输入电压就是比较器的给定电压 当改变输入电压比 RI2 RI1 时 对于已 知给定电压 便可以改变被检测的输入电压值 8 复合 PI 调节器 电梯 对于电动状态下 电机由零速向满速的加速过程中 刚开始调节器的比例增益 应该随转速增高而减小 在临界转差处达到最小值 然后随转速的增高而增大 在满 速时保持最大值 对于制动状态下 电机由满速向零速的减速过程中 调节器比例增 益应该随转速的下降而减小 这就要求调节器必须满足下述要求 对系统动态品质起 决定性作用的中频段以 20dB 十倍频程过零 且须有一定宽度 以保证系统的稳定性 截止频率应尽可能大一些 以提高系统的快速性 低频端的增益要高 以保证静态精 7 度 高频端要衰减的快些 以提高系统抗干扰的能力 复合 PI 调节器实际上由三个基本调节器组成 固定比例增益的低频 高频端调节器和 可调增益的中频段调节器 它的参数选择以其闭环幅频特性谐振峰值 振荡指示 最 小为准则 基本满足了电梯电 制动调节器的要求 按图示参数 高 中 低频端的 比例增益分别为 3 3 10 1000 51 高 中 低频段的积分时间常数分别为 3 3ms 470ms 2 4s 由此可见 在加 减速过程中 主要是中 低频段调节器起作 用 调节中频段的比例增益和积分时间常数 以适应不同系统的要求 同时减少发生 机械谐振的可能性 在满速运行过程 中 低频段调节器接近开环状态 主要是高频 段起调节作用 以降低系统的干扰影响 显然 复合 PI 调节器属于定 PI 参数调节 仍然不能完全适应调速系统的动态特性要求 只有在数字控制方式中才有可能实现变 PI 参数调节 9 直流反相放大器 一般增益系数不宜太大 Kc 100 200 当需要增益很高时 可采用多级串联方式 反馈电阻 3K Rf 200K 输入电阻 Rr Rf Kc 倘若考虑与前级匹配选取较大的 Rr 且需要的增益 Kc 亦较大 造成反馈电阻 Rf 超过 2000K 选用改进型反相放大器 10 改进型反相放大器 Rf Rf1 2 Rf1 RrRf2 Kc Rf1 2 Rr Rf1 RrRf2 只要 2Rf1 满足上述范围 3 200K 并适当选取 Rf2 仍可使等效反馈电阻 Rf 较大 11 直流同相放大器 8 用作阻抗匹配的运算放大器参数选择计算 在伺服系统中 为了适应不同信号源 要求运算放大器有很高的输入阻抗 采用同相 放大器来实现阻抗匹配 参见 现代直流伺服控制技术及其系统设计秦继荣 沈安俊 编著 机械工业出版社 12 PI 比例 积分 调节器 电容 C 不宜过大 也不宜太小 一般取 1uF 左右 R2 与 C 的位置不能颠倒 即 C 必须接在输出端 R2 接在反相端 R2 与 C 的位置若颠倒了 则 C 相当于并联在输入端 形成较大的寄生惯性环节 其 传递函数将改变 13 PI 比例 积分 调节器 可见 调节 R3 的阻值 可以改变时间常数 T T CR2R3 R2 R3 而不影响比例系数 9 14 反相型 PD 比例 微分 调节器 常用作超前补偿 15 同相型 PD 比例 微分 调节器 常用作超前补偿 16 主回路晶闸管容量的选择 主回路电动组采用三相全波星性连接调压电路 而制动组采用半控桥式整流电路 正 确地选择晶闸管的额定电流 通态平均电流 和额定电压在保证装置可靠性运行的前 提下 可以降低成本 此外 还必须对晶闸管采取适当的保护 才能保证可靠运行 1 电动组晶闸管容量的选择 由于调压电路在交流电动机这种电阻 电感性负载下工作 负载上的电流有效值 不仅取决于控制角 而且与负载阻抗角 有关 同时控制角 不能小于负载阻抗 角 否则系统工作在不可控制状态下 因为在全速度范围内进行调速 负载阻 抗角 和功率因数也随之改变 即 cos 为最小值时电流有效值为最大 下面按 YTTD225L 4 16 18 5KW 3 9KW 交流调速电机参数计算选择晶闸管的额定电流 对于三相电阻 电感负载 分析过程更加复杂 因为在控制角 大于阻抗角 时 电流波形是断续的 并随阻抗角的变化而变化 只有控制角 等于阻抗角 时 导电角等于 180 电流波形是连续的 但负载上所得的电压是不可调的最 大值 由于晶闸管不是理想元件 它并不是在零电流时关断 而是在一个很小的 反电流下才关断 所以每隔 60 晶闸管关断瞬间 储存在负载电路电感中的能量 将消耗在由电感和用来限制晶闸管电压变化率的阻容吸收回路中 因此引起电压 波形有缺口与电流波形有振荡现象 这种现象必然产生谐波电流 根据式 4 6 流过晶闸管的负载电流有效值为 IKZ 2I0I KZ 10 式中 I0 U1 Z U1 220V 关键是求出全速度范围内 Z 的变化范围 从而求出最 大负载电流有效值 根据式 4 5 计算机求解过程的分析 电机转速在 0 1380r min 之间变化时 可 求出转差率 S 变化范围为 1 0 06 负载阻抗角 变化范围为 49 18 6 46 功率 因数 cos 变化范围为 0 64 0 99 电机每相阻抗值 Z 变化范围为 1 40 10 35 因 此 I0变化范围为 157 21A 对应全导通时 I为 0 5 由此可见 无论在启动 KZ 瞬间 加速 满速 减速运行过程 流过晶闸管最大负载电流的有效值为 157A 此时对应全导通状态 负载电流为连续正弦波 流过每个晶闸管的电流为正弦半 波 其电流有效值为负载电流有效值的 0 707 因此流过晶闸管最大电流有效值为 IMAX 157 0 707 111 A 对于正弦半波的电流波形 电流有效值和平均值的比值为 1 57 那么晶闸管的通 态平均电流最大值为 ITMAX 71 A 1 57 Imax 57 1 111 由于晶闸管过载能力较差 选择容量时应留有一定的安全裕量 因此选择通态平 均电流为 100A 的晶闸管是合理的 其过载能力达 1 4 倍 晶闸管额定电压 UTN应根据它实际承受的最大峰值电压 UM乘上 2 3 倍的安全 裕量来确定 UTN 2 3 UM 2 3 220 622 933 V 2 因此选用晶闸管额定电压为 1200V 过载安全系数为 3 86 2 制动组晶闸管容量的选择 制动组采用单相半控桥式整流电路 制动绕组参数如下 每相定子电阻 r1 1 44 每相转子等效电阻 r 1 1 297 每相短路电抗 xk 4 738 它与电动绕组分析相似 差转率 S 变化范围为 1 0 06 电机每相阻抗值 Z 变化范 围为 5