第7章控制放大器

1、第七章第七章 控制放大器控制放大器 1.電源變換電源變換2.運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器3.信號(hào)的放大和處理信號(hào)的放大和處理4.控制信號(hào)電路控制信號(hào)電路 5.測(cè)量放大電路測(cè)量放大電路 6.功率放大器功率放大器概述概述控制放大器控制放大器是電液控制系統(tǒng)的重要組成部分，它必須是電液控制系統(tǒng)的重要組成部分，它必須與與電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器相匹配電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器相匹配，并具有各種附加電子線路或校并具有各種附加電子線路或校正網(wǎng)絡(luò)以改善電液控制元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性正網(wǎng)絡(luò)以改善電液控制元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性?；締卧ǎ夯締卧ǎ嚎刂菩盘?hào)的生成控制信號(hào)的生成信號(hào)的處理信號(hào)的處理前置放大級(jí)前置放大級(jí)功率放大級(jí)功

2、率放大級(jí)測(cè)量放大級(jí)測(cè)量放大級(jí)反饋校正電路反饋校正電路顫振信號(hào)發(fā)生器顫振信號(hào)發(fā)生器其他功能電路電源其他功能電路電源典型的控制放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的控制放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制放大器多為直流放大電路：控制放大器多為直流放大電路：各級(jí)放大器要求電源提供各種直流工作電壓，所以，控各級(jí)放大器要求電源提供各種直流工作電壓，所以，控制放大器必須參照基準(zhǔn)電壓設(shè)置一個(gè)電源變換單元。當(dāng)電網(wǎng)電壓和負(fù)裁電流及環(huán)境溫度在允許范圍內(nèi)制放大器必須參照基準(zhǔn)電壓設(shè)置一個(gè)電源變換單元。當(dāng)電網(wǎng)電壓和負(fù)裁電流及環(huán)境溫度在允許范圍內(nèi)變化時(shí)，它應(yīng)提供適合放大器技術(shù)要求的穩(wěn)定電壓。變化時(shí)，它應(yīng)提供適合放大器技術(shù)要求的穩(wěn)定電壓。整流電路整流電路 ：

3、 橋式整流電路橋式整流電路在同在同樣的交流電壓作用下所得的樣的交流電壓作用下所得的整整流輸出電壓有效值較高流輸出電壓有效值較高，脈動(dòng)脈動(dòng)系數(shù)較低系數(shù)較低每個(gè)整流元件所承受每個(gè)整流元件所承受的反向峰值電壓也較全波整流的反向峰值電壓也較全波整流為低，為低，所以應(yīng)用尤為普遍所以應(yīng)用尤為普遍。但是但是，橋式整流電路輸出電壓，橋式整流電路輸出電壓的的脈動(dòng)系數(shù)約為脈動(dòng)系數(shù)約為0.667，仍不特，仍不特合控制放大器的工作要求，合控制放大器的工作要求，必必須采用濾波電路須采用濾波電路。典型電源變換器的電路組成包括：典型電源變換器的電路組成包括：變壓器、整流及濾波、穩(wěn)壓及過(guò)載保護(hù)等基變壓器、整流及濾波、穩(wěn)壓及過(guò)

4、載保護(hù)等基本電路。本電路?？刂品糯笃骺刂品糯笃髡麟娐氛麟娐?： 橋式整流電路在同樣的交流電壓作用下所得的整流輸出電壓有效值較高，脈動(dòng)系數(shù)橋式整流電路在同樣的交流電壓作用下所得的整流輸出電壓有效值較高，脈動(dòng)系數(shù)較低每個(gè)整流元件所承受的反向峰值電壓也較全波整流為低，所以應(yīng)用尤為普遍。但是，橋式整流較低每個(gè)整流元件所承受的反向峰值電壓也較全波整流為低，所以應(yīng)用尤為普遍。但是，橋式整流電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)約為電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)約為0.667，仍不特合控制放大器的工作要求，必須采用濾波電路，仍不特合控制放大器的工作要求，必須采用濾波電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓二極管反向擊穿時(shí)所具有的伏安特性

5、來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。為了擴(kuò)展穩(wěn)壓穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓二極管反向擊穿時(shí)所具有的伏安特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。為了擴(kuò)展穩(wěn)壓電路負(fù)載電流變化的適應(yīng)范圍，并電路負(fù)載電流變化的適應(yīng)范圍，并能隨意調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定位，通常利用射極輸出跟隨器，能隨意調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定位，通常利用射極輸出跟隨器，并增加放大環(huán)節(jié)并增加放大環(huán)節(jié)。穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路： 整流及濾波電整流及濾波電路完成交流至直流的電源路完成交流至直流的電源變換，但輸出電壓仍受負(fù)變換，但輸出電壓仍受負(fù)載和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的干擾。載和電網(wǎng)電壓波動(dòng)的干擾。不能滿足控制放大器特別不能滿足控制放大器特別是測(cè)量放大器對(duì)電源的技是測(cè)量放大器對(duì)電源的技術(shù)要求，往往要增加穩(wěn)壓術(shù)要求，往

6、往要增加穩(wěn)壓電路。電路。在控制放大器中，運(yùn)算放大器用于信號(hào)放大、阻抗變換以及進(jìn)行各種信號(hào)處理在控制放大器中，運(yùn)算放大器用于信號(hào)放大、阻抗變換以及進(jìn)行各種信號(hào)處理運(yùn)算放大器常由多級(jí)差動(dòng)放大器組成運(yùn)算放大器常由多級(jí)差動(dòng)放大器組成。圖。圖a所示差動(dòng)放大器包括一對(duì)性能相同的所示差動(dòng)放大器包括一對(duì)性能相同的晶體三極管晶體三極管T1和和T2：和：和72、集電極電阻只、集電極電阻只RC1和和RC2及共用射極電阻及共用射極電阻Re。當(dāng)輸入兩管。當(dāng)輸入兩管的基極電壓相等時(shí)，由于兩集電極電流相等，電阻的基極電壓相等時(shí)，由于兩集電極電流相等，電阻R1和和R2壓降相等，故作為輸出信壓降相等，故作為輸出信號(hào)電壓的兩管集

7、電極之間的壓差為零號(hào)電壓的兩管集電極之間的壓差為零這種對(duì)兩輸入端加以相同信號(hào)的輸入方式稱(chēng)這種對(duì)兩輸入端加以相同信號(hào)的輸入方式稱(chēng)為共模輸入為共模輸入。-主要作用：抑制零點(diǎn)漂移主要作用：抑制零點(diǎn)漂移差動(dòng)放大器主差動(dòng)放大器主要作用：要作用：抑制抑制零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移差動(dòng)放大器的特點(diǎn)：差動(dòng)放大器的特點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，它唯靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定，對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，它唯獨(dú)對(duì)輸入信號(hào)的差（差模信號(hào)）做出響應(yīng)，集成運(yùn)算放大器幾乎都采用差動(dòng)獨(dú)對(duì)輸入信號(hào)的差（差模信號(hào)）做出響應(yīng)，集成運(yùn)算放大器幾乎都采用差動(dòng)放大器作為輸入級(jí)。放大器作為輸入級(jí)。在控制放大器中，運(yùn)算放大器用于信號(hào)放大、阻

8、抗變換以及進(jìn)行各種信號(hào)處理在控制放大器中，運(yùn)算放大器用于信號(hào)放大、阻抗變換以及進(jìn)行各種信號(hào)處理運(yùn)算放大器常由多級(jí)差動(dòng)放大器組成。當(dāng)輸入兩管的基極電壓相等時(shí)，由于兩集電極電流相等運(yùn)算放大器常由多級(jí)差動(dòng)放大器組成。當(dāng)輸入兩管的基極電壓相等時(shí)，由于兩集電極電流相等，電阻，電阻R1和和R2壓降相等，故作為輸出信號(hào)電壓的的兩管集電極之間的壓差為零。壓降相等，故作為輸出信號(hào)電壓的的兩管集電極之間的壓差為零。這種對(duì)兩輸入這種對(duì)兩輸入端加以相同信號(hào)的輸入方式稱(chēng)為共模輸入端加以相同信號(hào)的輸入方式稱(chēng)為共模輸入。運(yùn)算電路是集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路，它是集成運(yùn)放的線性運(yùn)算電路是集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路，它是集

9、成運(yùn)放的線性應(yīng)用。應(yīng)用。討論的是模擬信號(hào)的加法、減法、積分和微分、對(duì)數(shù)和反對(duì)討論的是模擬信號(hào)的加法、減法、積分和微分、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)（指數(shù)）、以及乘法和除法運(yùn)算數(shù)（指數(shù)）、以及乘法和除法運(yùn)算。一、加減法電路一、加減法電路 1. 反相輸入求和電路反相輸入求和電路 在在反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入求和電，就構(gòu)成了反相輸入求和電路，兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的電流都流向路，兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的電流都流向Rf ，所以輸出是，所以輸出是兩輸入信號(hào)的比例和兩輸入信號(hào)的比例和：運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器負(fù)反饋電路負(fù)反饋電路2.同相輸入求和電路同相

10、輸入求和電路在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路：在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路：因運(yùn)放具有虛斷的特性，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位可用疊加原理求得因運(yùn)放具有虛斷的特性，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位可用疊加原理求得:而而 當(dāng)當(dāng) 同相輸入求和同相輸入求和 3.雙端輸入求和電路雙端輸入求和電路 雙端輸入也稱(chēng)差動(dòng)輸入，雙端輸入求和運(yùn)算電路如圖雙端輸入也稱(chēng)差動(dòng)輸入，雙端輸入求和運(yùn)算電路如圖8.1.3所示：所示：其輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似。當(dāng)其輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似。當(dāng)vi1=vi2 =0時(shí)，用疊

11、加原理分別時(shí)，用疊加原理分別求出求出vi3=0和和vi4 =0時(shí)的輸出電壓時(shí)的輸出電壓vop。當(dāng)。當(dāng)vi3 = vi4 =0時(shí)，分別求出時(shí)，分別求出vi1=0，和，和vi2 =0時(shí)的時(shí)的von。 二、積分和微分運(yùn)算電路二、積分和微分運(yùn)算電路1.積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算電路的分析方法與求和電路差不多，積分運(yùn)算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運(yùn)算電路反相積分運(yùn)算電路如圖：如圖：，于是根據(jù)虛地有Rvii tvRCtiCvvd1d1iCCOtRCVtvRCvvIiCOd1當(dāng)輸入信號(hào)是階躍直流電壓當(dāng)輸入信號(hào)是階躍直流電壓VI時(shí)，即：時(shí)，即： 二、積分和微分運(yùn)算電路二、積分和微分運(yùn)算電路

12、1.微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路 tvRCtvRCRiRivdd dd ICCRO顯然 數(shù)數(shù)/模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 控制放大器與計(jì)算機(jī)相聯(lián)接必須使用控制放大器與計(jì)算機(jī)相聯(lián)接必須使用DA和和AD轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 一、阻抗變換器一、阻抗變換器 在控制放大器中，往往附帶有測(cè)量放大電路。測(cè)量放大電路應(yīng)與傳感器的在控制放大器中，往往附帶有測(cè)量放大電路。測(cè)量放大電路應(yīng)與傳感器的工作原理相適應(yīng)。對(duì)電位器式位移或轉(zhuǎn)角傳感工作原理相適應(yīng)。對(duì)電位器式位移或轉(zhuǎn)角傳感6，為減小前述負(fù)載效應(yīng)對(duì)其線，為減小前述負(fù)載效應(yīng)對(duì)其線性度的影咱，應(yīng)利用一個(gè)阻抗變換器即電壓跟隨電路：性度的影咱，應(yīng)利用一個(gè)阻抗變換器即電壓跟隨

13、電路： 二、電荷放大二、電荷放大器器 電荷放大器是與壓電式傳感器相匹配的前置放大電路。它能將高內(nèi)阻的電荷電荷放大器是與壓電式傳感器相匹配的前置放大電路。它能將高內(nèi)阻的電荷信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源使輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源使輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣起著阻抗交換作用。大器同樣起著阻抗交換作用。 三、電橋測(cè)量信號(hào)的直流放大電路三、電橋測(cè)量信號(hào)的直流放大電路 許多傳感器是根據(jù)電橋原理工作的，按照激勵(lì)電壓的性質(zhì)，可分為直流電橋許多傳感器是根據(jù)電橋原理工作的，按照激勵(lì)電壓的性質(zhì)，可分為直流電橋和相交流電橋兩種。直流電橋的平衡電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)傳

14、輸線路的要求也和相交流電橋兩種。直流電橋的平衡電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)傳輸線路的要求也較低。但性能易受元件溫漂和按地電位的影響。但是，電橋輸出電壓的額定值較低。但性能易受元件溫漂和按地電位的影響。但是，電橋輸出電壓的額定值一放僅在激勵(lì)電壓的一放僅在激勵(lì)電壓的1%以以下下，即幾個(gè)毫伏，因此必須通過(guò)一差動(dòng)式直流電壓，即幾個(gè)毫伏，因此必須通過(guò)一差動(dòng)式直流電壓放大電路，其輸出信號(hào)電壓的額定值達(dá)到足夠的數(shù)值，例如放大電路，其輸出信號(hào)電壓的額定值達(dá)到足夠的數(shù)值，例如5v或或10V。 功率放大器的負(fù)裁是伺服電機(jī)、力矩馬達(dá)、動(dòng)圈式力馬達(dá)或直流比功率放大器的負(fù)裁是伺服電機(jī)、力矩馬達(dá)、動(dòng)圈式力馬達(dá)或直流比例電磁鐵。功

15、率大級(jí)除了必須具有足夠的輸出功率外，還必須具有例電磁鐵。功率大級(jí)除了必須具有足夠的輸出功率外，還必須具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。功率放大級(jí)和前置電壓放大級(jí)之間的藕合：功率放大級(jí)和前置電壓放大級(jí)之間的藕合：目前都趨向于無(wú)輸出變目前都趨向于無(wú)輸出變壓器的直接藕合方式。壓器的直接藕合方式。功率輸出級(jí)：功率輸出級(jí)：則采用由一對(duì)射極跟隨器組成的互補(bǔ)型放大器，其放則采用由一對(duì)射極跟隨器組成的互補(bǔ)型放大器，其放大失真較小，無(wú)輸出功耗較低。為實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)在負(fù)載回路中可大失真較小，無(wú)輸出功耗較低。為實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)在負(fù)載回路中可接入熔斷器。接入熔斷器。電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器中，電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器中，功率

16、放大級(jí)分為：功率放大級(jí)分為：電壓反饋型和電流反饋型。電壓反饋型和電流反饋型。直流伺服電機(jī)采用：直流伺服電機(jī)采用：電壓反饋型電壓反饋型動(dòng)圈和動(dòng)鐵式電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器及直流比例電磁鐵采用動(dòng)圈和動(dòng)鐵式電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器及直流比例電磁鐵采用：電流反饋型：電流反饋型 功率放大級(jí)分為：功率放大級(jí)分為：電壓反饋型和電流反饋型。電壓反饋型和電流反饋型?？刂品糯笃鞯妮敵鲭娮柙叫。绷魉欧姍C(jī)的快速性越好控制放大器的輸出電阻越小，直流伺服電機(jī)的快速性越好 功率放大級(jí)分為：功率放大級(jí)分為：電壓反饋型和電流反饋型。電壓反饋型和電流反饋型。2電流反饋型功率放大器電流反饋型功率放大器 對(duì)動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式電一機(jī)械轉(zhuǎn)換駱，控制線圈的電感一般較大，如采對(duì)動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式電一機(jī)械轉(zhuǎn)換駱，控制線圈的電感一般較大，如采用電壓反饋方式，其電氣時(shí)間常數(shù)變得不可忽用電壓反饋方式，其電氣時(shí)間常數(shù)變得不可忽略略，故往往采用電流反饋，故往往采用電流反饋，使