項(xiàng)目4 紅外線報(bào)警器電路的制作、調(diào)試與檢測(cè)

1、計(jì)算機(jī)電路基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社.9常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 翟文正 2019 1項(xiàng)目4 紅外線報(bào)警器電路的制作、調(diào)試與檢測(cè)2項(xiàng)目4 紅外線報(bào)警器電路的制作、調(diào)試與檢測(cè)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解集成運(yùn)算放大器的組成原理；了解差動(dòng)放大電路的組成、工作原理；掌握負(fù)反饋放大電路的組態(tài)判別方法；了解負(fù)反饋對(duì)電路性能的影響。熟練掌握集成運(yùn)放組成運(yùn)算電路的分析與計(jì)算方法；掌握電壓比較器的工作原理及分析方法；了解正弦波產(chǎn)生電路的組成及工作原理。4.1.1 多級(jí)放大電路組成4.1 認(rèn)識(shí)集成運(yùn)算放大器3多級(jí)放大電路的耦合方式：阻容耦合是通過(guò)電容器將后級(jí)電路與前級(jí)相連接電容器的隔直流通交流特點(diǎn)，各級(jí)放大電路的直流工作點(diǎn)相互獨(dú)立耦合電

2、容選得足夠大，則較低頻率的信號(hào)也能由前級(jí)幾乎不衰減地加到后級(jí)，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)放大。4.1.2 集成運(yùn)放組成及特點(diǎn)4（1）輸入級(jí)直接耦合放大電路存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題，特別是多級(jí)放大電路的第一級(jí)的溫漂影響尤其嚴(yán)重，因此必須采取有效措施抑制溫漂。因此集成運(yùn)算放大器的第一級(jí)放大電路多采用差分放大電路。 4.1.3 基本差分放大電路（1）電路的組成與工作原理當(dāng)兩個(gè)輸入端短路，即時(shí) ，由于溫度等因素變化所引起的放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)漂移，對(duì)兩只三極管來(lái)說(shuō)是相同的，即 ，輸出電壓仍將保持為零。差分放大電路是利用電路的對(duì)稱性來(lái)抵消兩管的溫漂的。5（2）共模放大倍數(shù) 大小相等、極性相同的兩個(gè)輸入信號(hào)稱為共模輸入信號(hào)，記為UI

3、C， 顯然 共模輸出電壓 與共模輸入電壓 之比為共模電壓放大倍數(shù) 理想情況下，差分放大電路的共模電壓放大倍數(shù)為零。但在實(shí)際電路，不可能存在完全對(duì)稱的元件與電路，所以Auc不會(huì)為零，但在集成電路中，由于元件的對(duì)稱性非常好，Auc很小。 （3）差模放大倍數(shù)如果兩個(gè)輸入端輸入的信號(hào)大小相等、極性相反，這樣的輸入信號(hào)為差模輸入信號(hào)， ，則輸出端的電壓為 定義差模電壓放大倍數(shù)為 差分放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)等于該差分放大電路的半邊電路的電壓放大倍數(shù)。 6（4）共模抑制比對(duì)一個(gè)特性好的差分放大電路來(lái)說(shuō)，既要盡量大的差模放大倍數(shù)，又盡可能地抑制共模信號(hào)。差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力，定義為共模抑制

4、比，用KCMR表示工程上，一般用分貝為單位來(lái)表示KCMRKCMR越大，差分放大電路對(duì)共信號(hào)的抑制能力就越強(qiáng)。當(dāng)雙端輸出差分放大電路完全對(duì)稱（理想電路）時(shí)，其共模電壓放大倍數(shù)為零，因此共模抑制比為KCMR=。 74.1.4 長(zhǎng)尾式差分放大電路 長(zhǎng)尾式差分放大電路是在基本差放基礎(chǔ)上，在兩管的發(fā)射極接一個(gè)射極電阻Re，并與一個(gè)負(fù)電源UEE相連，由于射極電阻接負(fù)電源-UEE，就好像拖著一個(gè)尾巴，故也稱為長(zhǎng)尾式差分放大電路。 射極電阻Re的作用：當(dāng)電路兩端輸入共模信號(hào)時(shí)，將使每個(gè)三極管的射極電流增加IE，那么流過(guò)Re的總電流增加2IE ，相當(dāng)于每個(gè)電路射極接上一個(gè)2Re電阻，這將大大抑制共模信號(hào)對(duì)管子的

5、輸入，使共模放大倍數(shù)下降。而當(dāng)電路輸入差模信號(hào)時(shí)，使一管的電流增加的同時(shí)，另一端的電流減小相同的值，因此射極電阻Re上相當(dāng)于沒(méi)有交流電流流過(guò)，可視為“斷路”。Re不影響輸入信號(hào)的差模放大。89 集成電路是相對(duì)于分立元件而言的，它是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體器件，是在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路稱為集成電路（Integrated Circuit，IC）。由于它具有體積小，重量輕、性能好、功耗低，而且元件之間引線短、焊點(diǎn)少，電路工作可靠性較高等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。 集成運(yùn)算放大電路也可稱為集成運(yùn)算放大器（Integrate

6、d Operational Amplifier），簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，它是實(shí)現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件。早期主要用于實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的各種運(yùn)算，例如比例、加法、減法、積分、微分、乘除、指數(shù)對(duì)數(shù)等等運(yùn)算。目前隨著器件性能的改進(jìn)，它已成為通用的增益器件，廣泛用于信號(hào)處理、測(cè)量和波形發(fā)生等各個(gè)領(lǐng)域。 4.1.5 集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介104.1.6 集成運(yùn)算放大器的組成輸入級(jí)通常要求有較低的零點(diǎn)漂移、較高的共模抑制能力和較高的輸入阻抗，因此一般采用差分放大電路。中間級(jí)主要承擔(dān)電壓放大任務(wù)，一般采用多級(jí)共射放大電路。輸出級(jí)要求具有較小的輸出電阻、一定的功率輸出和一定的帶負(fù)載能力，因此輸出級(jí)多采用互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

7、電路等。偏置電路主要用于向集成運(yùn)放的各級(jí)電路提供偏置電流，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。一般采用電流源的形式作為偏置電路。 集成運(yùn)放的電路符號(hào)如圖4-6-2所示。因?yàn)槠漭斎爰?jí)通常采用差分放大電路，所以集成運(yùn)放有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端分別為反相輸入端（圖中標(biāo)記“-”的端子）和同相輸入端（圖中標(biāo)記“+”的端子）。反相輸入端的輸入電壓與它產(chǎn)生的輸出電壓相位相反，所以稱為反相輸入電壓，用表示；同相輸入端的輸入電壓與它產(chǎn)生的輸出電壓相位相同，稱為同相電壓，用表示。 A741（國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)型號(hào)F007）是一種應(yīng)用十分廣泛的通用型集成運(yùn)算放大器件。 4.1.7 理想運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo) 所謂理想運(yùn)放, 就是

8、將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，即滿足理想化條件的運(yùn)放應(yīng)具有無(wú)限大的差模增益和共模擬制比、無(wú)限大的差模輸入電阻、趨于零的輸出電阻、無(wú)限大的頻帶寬度以及趨于零的失調(diào)和漂移。 （1）開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Avd=，實(shí)際上Avd80dB即可。（2）差模輸入電阻Rid=，實(shí)際上Rid比輸入端外電路的電阻大23個(gè)量級(jí)即可。（3）輸出電阻Ro=0，實(shí)際上Ro比輸入端外電路的電阻小12個(gè)量級(jí)即可。（4）共模抑制比足夠大，KCMR = 。（5）帶寬足夠?qū)?，上限截止頻率 fH= 。（6）失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫漂均為零，且無(wú)任何內(nèi)部噪聲 。 4.1.8 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 在集成運(yùn)放工作范圍可有兩種情況，即

9、工作在線性區(qū)或非線性區(qū)。當(dāng)工作在線性區(qū)時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓之間為線性放大關(guān)系A(chǔ)od是開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)。 由于Aod高達(dá)幾十萬(wàn)倍，所以集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的最大輸入電壓(uPuN)的數(shù)值僅為幾十一百多V。當(dāng)其大于此值時(shí)，集成運(yùn)放的輸出不是UOM , 就是UOM ，即集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)。4.1.9 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 由于uo為有限值，而理想運(yùn)放的Aod=，因此凈輸入電壓可看作虛短 由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻rid=，可以看作兩個(gè)輸入端是“斷開(kāi)”的，故輸入電流均為零 虛斷 “虛短”：運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電位“無(wú)窮”接近，好象短路一樣，但卻不是真正的短路?！疤摂唷?/p>

10、：運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端的電流趨于0，好象斷路一樣，但卻不是真正的斷路。 理想運(yùn)放工作于線性區(qū)，因其放大倍數(shù)趨于無(wú)窮大，所以在輸入端只要加一個(gè)非無(wú)窮小的電壓，其輸出就會(huì)超出其線性工作區(qū)，因此，只有電路引入負(fù)反饋，才能使其工作于線性區(qū)。（3）理想集成運(yùn)放工作于非線性區(qū) 電路中沒(méi)有引入負(fù)反饋或引入的是正反饋，理想運(yùn)放工作于非線性區(qū)。因其放大倍數(shù)趨于無(wú)窮大，所以輸出電壓只有兩種可能：164.2.1 反饋的基本概念 通過(guò)一定的方式將放大電路的輸出量（電壓或電流）的一部分或全部回送到放大電路的輸入端，并對(duì)輸入量（電壓或電流）產(chǎn)生影響，這個(gè)過(guò)程稱為反饋。 通常將連接輸入回路與輸出回路的反饋元件，稱為

11、反饋網(wǎng)絡(luò)；把沒(méi)有引入反饋的放大電路，稱為基本放大電路或開(kāi)環(huán)放大電路；把引入反饋的放大電路稱為反饋放大電路或閉環(huán)放大電路。 分壓式電流負(fù)反饋偏置電路就是具有反饋環(huán)節(jié)的電路 4.2 放大電路中的負(fù)反饋174.2.2 反饋放大電路的類型及判別 （1）正反饋和負(fù)反饋根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)所起作用可分為正反饋和負(fù)反饋：如果反饋信號(hào)增強(qiáng)了原來(lái)的輸入信號(hào)對(duì)電路的作用，使電路的放大倍數(shù)增大，則稱為正反饋；如果反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)對(duì)電路的作用，使電路的放大倍數(shù)減小，則稱為負(fù)反饋。通常采用“瞬時(shí)極性法”判別放大電路中引入的是正反饋還是負(fù)反饋。先假定輸入信號(hào)在某一瞬時(shí)極性為“+”，然后根據(jù)各級(jí)電路輸入、輸出電壓相

12、位關(guān)系（對(duì)于集成運(yùn)放，uo與u+同相，uo與u-反相），逐級(jí)推出其它相關(guān)各點(diǎn)的瞬時(shí)極性，最后判斷反饋到輸入端的信號(hào)是增強(qiáng)了還是減弱了凈輸入信號(hào)。18（2）電壓反饋和電流反饋根據(jù)反饋信號(hào)在放大電路輸出端不同的采樣方式，可分為電壓反饋和電流反饋。在電壓反饋中，反饋信號(hào)取自輸出電壓，或者說(shuō)反饋信號(hào)與輸出電壓成正比；在電流反饋中，反饋信號(hào)取自輸出電流，或者說(shuō)反饋信號(hào)與輸出電流成正比。采用“負(fù)載短路法”判別：假設(shè)將放大電路的負(fù)載RL 短路，即輸出電壓為零，此時(shí)若反饋信號(hào)也為零，則說(shuō)明反饋信號(hào)與輸出電壓成正比，屬于電壓反饋；反之，如果反饋信號(hào)依然存在，則表示反饋信號(hào)不與輸出電壓成正比，屬于電流反饋。19（

13、3）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)放大電路輸入端輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的比較方式，反饋又可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行電壓比較，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是串聯(lián)連接，則稱為串聯(lián)反饋。如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端進(jìn)行電流比較，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)并聯(lián)連接，則稱為并聯(lián)反饋。采用輸入回路的反饋節(jié)點(diǎn)“對(duì)地短路法”判別：若反饋節(jié)點(diǎn)對(duì)地短路時(shí)，輸入信號(hào)作用仍存在，則說(shuō)明反饋信號(hào)和輸入信號(hào)相串聯(lián)，故所引入的反饋是串聯(lián)反饋。若反饋節(jié)點(diǎn)接地時(shí)，輸入信號(hào)作用消失，則說(shuō)明反饋信號(hào)和輸入信號(hào)相并聯(lián)，故所引入的反饋是并聯(lián)反饋。20【例4-6】在圖示電路中引入了何種反饋？試判斷其反饋極性和反饋類型。 【解】該電路是

14、兩級(jí)放大電路，電阻R2和R4引入的是局部反饋，即對(duì)于第一級(jí)集成運(yùn)放A1由R2引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，對(duì)于第二級(jí)A2由R4引入的也是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。另外，還有一條導(dǎo)線將輸出回路和輸入回路連接了起來(lái)，因此整個(gè)電路也引入了反饋，故將此稱為級(jí)間反饋。通常主要討論的是級(jí)間反饋。 根據(jù)瞬時(shí)極性法，該反饋是負(fù)反饋；將輸入端反饋節(jié)點(diǎn)a接地，輸入信號(hào)仍可從反相端輸入，故是串聯(lián)反饋；在輸出端將RL短接，由于輸出電流的作用，反饋電壓uf依然存在，所以是電流反饋，由此可得該電路所引入的反饋是電流串聯(lián)負(fù)反饋。21224.2.3 負(fù)反饋放大器的基本關(guān)系式 基本放大電路的放大倍數(shù)，也稱為開(kāi)環(huán)增益為 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為 閉環(huán)

15、放大倍數(shù)，即閉環(huán)增益為 凈輸入信號(hào)反饋信號(hào)為負(fù)反饋放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)是開(kāi)環(huán)的基本放大電路放大倍數(shù)的1/（1+AF）倍，式中的（1+AF）稱為反饋深度。當(dāng)(1+AF)1時(shí)，AfA，即引入反饋后，放大倍數(shù)減小了，說(shuō)明放大電路引入的是負(fù)反饋；當(dāng)(1+AF)A，即引入反饋后，放大倍數(shù)比原來(lái)增大了，說(shuō)明放大電路引入的是正反饋； 當(dāng)(1+AF)=0，即AF=-1時(shí)，Af，說(shuō)明放大電路在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，也有輸出信號(hào)，放大電路產(chǎn)生了自激振蕩，這種情況應(yīng)避免發(fā)生。在負(fù)反饋的情況下，如果反饋深度(1+AF)1，則稱為深度負(fù)反饋 4.3.1反相比例運(yùn)算電路4.3 基本運(yùn)算電路4.3.2同相比例運(yùn)算電路 輸入信號(hào)通

16、過(guò)Rb接入運(yùn)放的同相輸入端，電路引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念， 可得 對(duì)于同相比例運(yùn)算電路，當(dāng)Rf=0，R1=時(shí)，電路變?yōu)槿鐖D5-2-3所示的電路，此時(shí)Af=1，即輸出電壓與輸入電壓大小相等、相位相同，這種電路稱為電壓跟隨器。 4.3.3 加法電路 ， 當(dāng) 時(shí)，【例4-1】圖所示電路為一同相比例加法電路。試寫(xiě)出其輸出電壓的表達(dá)式。 【解】 4.3.4 減法電路 當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)分別加在運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端時(shí)，此時(shí)的電路就是減法運(yùn)算電路。 當(dāng)反相端輸入信號(hào)ui1單獨(dú)作用時(shí)，令ui2=0，此時(shí)電路為反相比例運(yùn)算電路，輸出電壓uo1為 當(dāng)同相端輸入信號(hào)ui2單獨(dú)作用時(shí)，

17、令ui1=0，此時(shí)電路為同相比例運(yùn)算電路 【例4-2】試用一個(gè)運(yùn)算放大器完成如下運(yùn)算關(guān)系： 且要求每路輸入電阻不小于 10k。 【解】由于運(yùn)算表達(dá)式可以看出，本題要求有兩個(gè)輸入，且兩個(gè)輸入信號(hào)的關(guān)系是相減關(guān)系，故可用減法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 選R1=15k，則Rf=4R1=60k，R2=Rf/2=30k。且根據(jù)兩輸入端電阻平衡條件，有R1Rf=R2R3，解得R3=20k。 對(duì)所求結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)?！纠?-3】電路如圖示。A1、A2為理想運(yùn)放， (1) 寫(xiě)出Au=uo/ui的表達(dá)式； (2) 寫(xiě)出輸入電阻Ri=ui/ii的表達(dá)式，并討論該電路能夠穩(wěn)定工作的條件；【解】（1）兩個(gè)運(yùn)放都外加有負(fù)反饋, 所以都工

18、作在線性區(qū)。并且運(yùn)放A2又構(gòu)成了運(yùn)放A1的反饋網(wǎng)絡(luò)。從圖中可以看出，A1構(gòu)成的電路是反相比例電路，所以（2）這又是一個(gè)由理想運(yùn)放構(gòu)成的高輸入阻抗放大器，求其輸入電阻ri。314.3.5 積分電路 32【例4-4】寫(xiě)出圖示電路的輸出電壓表達(dá)式。 【解】在運(yùn)放的反相輸入端，由于電流 而在同相輸入端，電流 4.3.6 微分電路 積分電路中反相輸入端的電阻與反饋網(wǎng)絡(luò)中的電容位置互換，就構(gòu)成了微分運(yùn)算電路， ，4.3.6 三運(yùn)放電路 +A1-+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+R1R1-+A3R2R2uo+4.3.6 三運(yùn)放電路 +A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+i1-i2-i+ =0i- =0,u-= u+,R、RW、R三個(gè)電阻可視為串聯(lián)4.3.6 三運(yùn)放電路 uoR1R1+A3R2R2uo1uo2+A1_+A2RRRWui1ui2uo1uo2ab+uo=例4.6 由三運(yùn)放放大器組成的溫度測(cè)量電路 uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+U=+5VRRRRtui ui =Rt - R2(Rt+R)URt 熱敏電阻uo= ui=Rt - R2(Rt+R)URt=f(TC)集成化:儀表放大器384.4.1 電壓比較器 圖所示電路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓比較器。