学习情境5 电冰箱温度控制

1、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

2、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

3、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。,（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

4、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

5、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A741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：,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.A741集成运放图形符号,A741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,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： 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

6、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 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 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，当输出电压为零时，两个输入端的静态偏置电流之差称为

7、输入失调电流 ，它通常在15 nA之间。,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 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 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Hz至几十kHz。 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

8、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。,(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

9、（ ）。 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。,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

10、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。,（3）集成运算放大器的电压传输特性,理想特性,U0M,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

11、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。,2.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。,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

12、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。,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。,（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

13、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,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。,解 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,当 时，称为深度负反馈

14、，放大电路的闭环增益可近似表示为,（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,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。,2）减小非线性失真,(a) 无负反馈时信号的波形,(b) 引入负反馈后信号的波形,3）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,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

15、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,负号说明输入输出反相,由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”,由图可知,所以,u+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u= u+=0,整理后可得,输出与输入的比例值,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,(2)同相比例运算电路,由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=ui,由图可知,所以,u+,u,可得,根据“虚短”又可推出：u= u+=ui,整理后可得,输出与输入的比例值,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=R

16、1/RF,(3)反相加法运算电路,反相电路存在“虚地”现象，因此,因为,可得,u= u+= “地”,将各电流代入,如果,整理上式可得,若再有,则,实现了反相求和运算,(4)差分减法运算电路,若R2=R3，则,因为,不存在“虚地”现象,所以,整理得,若R1=RF，则,实现了输出对输入的减法运算。,(5)基本积分运算电路,积分电路也存在“虚地”现象，即,可知,u= u+= “地”,因为,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。式中的比例常数R1C1称为电路的时间常数。,反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路,所以,(6)基本微分运算电路,微分电路也存在“虚地”

17、现象，即,可知,u= u+= “地”,微分电路可用于波形变换，将矩形波变换成尖脉冲；且u0与ui相位反相,因为,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=R2,4.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=0,由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。,UCM,UCM,输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。,(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

18、呈现“滞回”曲线的形状。电路及曲线图如下所示：,UB,UOM,+U0M,UB1,UB2,当ui等于或大于UB1时,a,b,c,d,e,f,门限电平值,当ui小等于或小于UB2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,当门限电压为0.7V时,输入波形,输出波形,实现了波形的整形与变换,任务5.2 电冰箱温度控制器的调试及分析,【 任务分析】,技能目标 1 能对温度控制器的温度控制范围进行调整 2 能用万用表检测元器件、调试电路 3.学会系统的测量与调试。,知识目标 1. 会分析单元电路的作用、工作原理