Chp5理想變壓器和運(yùn)算放大器解讀課件

1、電阻電路分析第五章 理想變壓器和運(yùn)算放大器授課老師：劉云Yun Liu, Information College, Zhongkai University of Agriculture and Engineering第1頁，共52頁。5-1 理想變壓器 實(shí)際變壓器容量：25W輸入：200V交流輸出：24V交流變壓比：25:3第2頁，共52頁。 理想變壓器是根據(jù)鐵心變壓器的電氣特性抽象出來的一種理想電路元件。在鐵心變壓器初級(jí)加上交流電壓信號(hào)時(shí)，次級(jí)可以得到不同電壓的交流信號(hào)。5-1 理想變壓器概念引入第3頁，共52頁。5-1 理想變壓器同名端的概念 兩互感線圈感應(yīng)電壓極性始終保持一致的端子稱為同

2、名端。 實(shí)際應(yīng)用中，電氣設(shè)備中的線圈都是密封在殼體內(nèi)，一般無法看到線圈的繞向，因此在電路圖中常常也不采用將線圈繞向繪出的方法，通常采用“同名端標(biāo)記”表示繞向一致的兩相鄰線圈的端子。*第4頁，共52頁。5-1 理想變壓器電壓電流關(guān)系為： 式中參數(shù)n稱為變比。圖中標(biāo)注的一對(duì) 點(diǎn)是表示初級(jí)電壓u1和次級(jí)電壓u2極性關(guān)系的符號(hào)。當(dāng)u1和u2的 + 端均選在標(biāo)有 點(diǎn)的端鈕上時(shí)，表示u1和u2極性相同。理想變壓器的符號(hào)：11端稱為初級(jí)22端稱為次級(jí)。注：第5頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器基本概念 變壓器的極性改變時(shí)-同名端在不同端。即興練習(xí)：當(dāng)初級(jí)和次級(jí)參考極性改變時(shí)，怎樣確定參數(shù)關(guān)系。關(guān)系式

3、原則：（1）當(dāng)u1和u2的 + 端均選在標(biāo)有 點(diǎn)的端鈕上時(shí)，表示u1和u2極性相同。否則，極性相反。（2）電壓關(guān)系式和電流關(guān)系式中只有一個(gè)帶負(fù)號(hào)。（能量守恒）第6頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的性質(zhì)要點(diǎn)理想變壓器工作可以工作在交流也可以工作在直流。理想變壓器不消耗或存儲(chǔ)功率，即任意時(shí)刻初級(jí)吸收功率與次級(jí)釋放功率相等。第7頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的性質(zhì)要點(diǎn)當(dāng)理想變壓器次級(jí)端接一個(gè)電阻R時(shí)，初級(jí)的輸入電阻為n2R。（電阻等效與同名端無關(guān)，可不標(biāo)出） 圖52(外加電源法)第8頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的性質(zhì)例題 例51 求圖5-3所示單口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R

4、ab。 第9頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的性質(zhì)練習(xí)練習(xí)：求圖示單口的等效電阻Rab第10頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的性質(zhì)練習(xí)練習(xí):求下面單口的戴維南等效電路Uoc=10V; Ro=2.5歐第11頁，共52頁。5-1 理想變壓器理想變壓器的基本性質(zhì)性質(zhì)應(yīng)用例5-2，思考：采用什么辦法使RL從左側(cè)單口吸收到最大功率？圖54詳解：第12頁，共52頁。 例52 電路如圖5-4所示。欲使負(fù)載電阻RL=8得最大功 率，求理想變壓器的變比和負(fù)載電阻獲得的最大 功率。 圖54解：理想變壓器端接負(fù)載電阻RL時(shí)的等效電阻為 第13頁，共52頁。 根據(jù)最大功率傳輸定理，Ri獲得最大功率

5、的條件是 求得 得到圖(b)所示電路電阻RL和Ri獲得的最大功率為 第14頁，共52頁。5-1 理想變壓器含理想變壓器的線性電阻電路分析方法綜述觀察法初級(jí)次級(jí)看做兩條支路列網(wǎng)孔/結(jié)點(diǎn)方程，再列初級(jí)和次級(jí)電壓電流關(guān)系的補(bǔ)充方程。將初級(jí)和次級(jí)分別用受控電流源和受控電壓源表示，再用網(wǎng)孔/結(jié)點(diǎn)法求解電路。例：用以上三種方法求下面單口的等效電阻。第15頁，共52頁。補(bǔ)充：關(guān)于求等效電阻方法的說明（一）求無獨(dú)立源單口的等效電阻 1.純電阻單口，可用串聯(lián)/并聯(lián)的觀察法，也可用外 加電源法可加1V/1A電源。 2.含有受控源或理想變壓器一般用外加電源法。 （只含電阻和理想變壓器有時(shí)可用觀察法）（二）含獨(dú)立源單

6、口的戴維南/諾頓等效電路的Ro求法 1.將內(nèi)部獨(dú)立源置0，用（一）的方法求。 2. 先求單口的Uoc,再求單口的Isc, Ro=Uoc/Isc。注：外加電源法求VCR，再根據(jù)VCR畫等效電路的方法適用于任何情況。第16頁，共52頁。 例53 求圖5-5(a)所示單口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻Rab。 解：理想變壓器的方程為： 圖55第17頁，共52頁。 用外加電源法求等效電阻。為了計(jì)算方便，在端口外加1V電壓源如圖(b)所示，用2b方程可求得： 最后得到等效電阻 第18頁，共52頁。 例5-4 用結(jié)點(diǎn)分析法再求圖5-5(a)所示單口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。 解：采用外加電流源計(jì)算端口電壓的方法求等效電阻。圖55第

7、19頁，共52頁。 補(bǔ)充理想變壓器的VCR方程： 求解方程可以得到 解一：增加理想變壓器電流i1和i2變量來列寫結(jié)點(diǎn)方程： 圖55第20頁，共52頁。 解法二：根據(jù)理想變壓器的VCR方程： 用兩個(gè)相應(yīng)的受控源代替理想變壓器的兩條支路，得到圖(b)電路。圖56注：此法不會(huì)比解1中的直接列方程方法簡(jiǎn)便，略!第21頁，共52頁。 代入 可解得 列出結(jié)點(diǎn)方程：圖56注：此法不會(huì)比解1中的直接列方程方法簡(jiǎn)便，略!第22頁，共52頁。5-1 理想變壓器含理想變壓器的線性電阻電路分析練習(xí)練習(xí)：求下面電路的網(wǎng)孔電流I1=1A；I2=2A.-+-+UU第23頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型實(shí)際運(yùn)算放大

8、器簡(jiǎn)介作用：信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算（加、減、乘、除、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、平方、開方等）、信號(hào)的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多，可適用于不同的場(chǎng)合。 第24頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)放器件的電氣圖形符號(hào)運(yùn)放在正常工作時(shí)，需將一個(gè)直流正電源和一個(gè)直流負(fù)電源與運(yùn)放的電源端E+和E-相連圖(b)。兩個(gè)電源的公共端構(gòu)成運(yùn)放的外部接地端圖57第25頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)放器件的電氣圖形符號(hào)端鈕：i-和i+分別表示進(jìn)入反相輸入端和同相輸入端的電流。io表示進(jìn)入輸出端的電流。u-、u+和uo分別表示反相輸入端、同相輸入端和輸出端相對(duì)接地端的電壓

9、。ud=u+-u-稱為差模輸入電壓。 怎么理解“同相“”反相” ？第26頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)放器件的端口特性輸出電壓與差模輸入電壓的典型轉(zhuǎn)移特性曲線uo=f(ud)如圖所示。該曲線有三個(gè)明顯的特點(diǎn)：圖58 1uo和ud有不同的比例尺度：uo用V; ud用mV。2.在輸入信號(hào)很小(|ud|)的區(qū)域，曲線f(ud)飽和于uo=Usat。Usat稱為飽和電壓，其量值比電源電壓低2V左右，例如E+=15V, E-=-15V，則+Usat=13V,-Usat =-13V左右。工作于飽和區(qū)的運(yùn)放，其輸出特性與電壓源相似。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)放器件的端口特性第28頁，共52

10、頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)放器件的端口特性 式中IB-和IB+是反相輸入端和同相輸入端的輸入偏置電流，其量值非常小，通常小于10-7A，可以近似認(rèn)為等于零。uo=f(ud)是輸出電壓uo對(duì)差模輸入電壓ud的轉(zhuǎn)移特性。第29頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型運(yùn)算放大器的兩種模型概覽運(yùn)放模型1-有限增益的運(yùn)算放大器模型運(yùn)放模型2-理想運(yùn)算放大器模型圖59圖511注：飽和區(qū)就是輸出不隨輸入變化的工作情況，在輸入輸出關(guān)系坐標(biāo)圖上體現(xiàn)為一片”區(qū)域“。第30頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型有限增益的運(yùn)算放大器模型有限增益運(yùn)放模型的符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性曲線圖59第31頁，共52頁。輸入輸

11、出特性/轉(zhuǎn)移特性曲線電流:i-=i+=0（輸入電阻無窮大），io受負(fù)載和uo決定（Ro=0）電壓：ud=u+-u-,uo=f(ud), 分段線性函數(shù)。第32頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型理想運(yùn)算放大器模型實(shí)際運(yùn)放的電壓增益為(A=105108)，可以近似認(rèn)為A= 有限增益運(yùn)放模型可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為理想運(yùn)放模型。第33頁，共52頁。 理想運(yùn)放模型可由以下方程描述: 理想運(yùn)放模型工作于線性區(qū)、正飽和區(qū)和負(fù)飽和區(qū)相應(yīng)的電路模型，分別如圖(a)、(b)、(c)所示。 具體電壓跟與之相連的支路有關(guān)。第34頁，共52頁。5-2 運(yùn)算放大器的電路模型理想運(yùn)算放大器模型的虛短、虛斷的概念虛短：運(yùn)放工

12、作在線性區(qū)時(shí)，u+=u-,好像兩個(gè)輸入端短路，但實(shí)際未短路，這一現(xiàn)象稱為“虛短”。-從電壓角度看虛斷：i+=0,i-=0,好像兩個(gè)輸入端與左邊斷開，但實(shí)際未斷路，這一現(xiàn)象稱為“虛斷”。-從電流角度看工作于線性區(qū)時(shí)的輸出=？-決定于外部電路第35頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析基本方法含運(yùn)放的電阻電路分析方法 （1）先明確運(yùn)放工作在線性區(qū) （2）再利用運(yùn)放在線性區(qū)時(shí)的“虛短”“虛斷”特性，結(jié)合外圍電路分析：虛短：u+=u-即ud=0虛斷：i+=0, i-=0;第36頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 一、電壓跟隨器電路分析工作狀態(tài)分析（不可能工作飽和區(qū)，只可能工作在線性區(qū)）根據(jù)

13、“虛短”，可知uo=ui，輸出電壓uo將跟隨輸入電壓uin的變化，故稱為電壓跟隨器思考，這個(gè)電路有何意義？第37頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 一、電壓跟隨器電路功能網(wǎng)絡(luò)隔離：電壓跟隨器輸入電阻Ri為無限大和輸出電阻Ro為零，將它插入兩個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)之間時(shí)，既不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移特性，又能對(duì)網(wǎng)絡(luò)起隔離作用，故又稱為緩沖器。 降低輸出電阻（提高驅(qū)動(dòng)能力），提高輸入電阻（減少對(duì)前級(jí)影響）第38頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 二、反相放大器電路分析工作狀態(tài)分析（uinR1時(shí)，稱為反相放大器。寫結(jié)點(diǎn)1的KCL方程：第40頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 三、同相放大器電路分

14、析分析運(yùn)放工作狀態(tài)：uinR1時(shí)，稱為同相放大器。寫結(jié)點(diǎn)1的KCL方程第42頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 四、加法運(yùn)算電路電路分析工作狀態(tài)分析（us1,s2usat時(shí)，確定運(yùn)放工作在線性區(qū)）利用運(yùn)放“虛短”“虛斷”特點(diǎn)，結(jié)合外圍電路，確定輸入輸出關(guān)系。圖517第43頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 四、加法運(yùn)算電路電路分析輸出電壓幅度正比于兩個(gè)輸入電壓之和,稱為加法電路。寫結(jié)點(diǎn)1的KCL方程第44頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 五、負(fù)阻變換器電路分析工作狀態(tài)分析（uusat時(shí)，確定運(yùn)放工作在線性區(qū)）利用運(yùn)放“虛短”“虛斷”特點(diǎn)，結(jié)合外圍電路，確定輸入輸出關(guān)系。P176,圖5-18P179,圖5-21第45頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 五、負(fù)阻變換器電路分析（仲愷無敵版）工作狀態(tài)分析（uusat時(shí)，確定運(yùn)放工作在線性區(qū)）利用運(yùn)放“虛短”“虛斷”特點(diǎn)，結(jié)合外圍電路，確定輸入輸出關(guān)系。第46頁，共52頁。5-3含運(yùn)放的電阻電路的分析 五、負(fù)阻變換器電路分析（仲愷無敵版）用外加電源法求出 a、b兩端的VCR關(guān)系. 根據(jù)“虛短”，”虛斷“特性求I,寫成i=xu的形式.Rab=u/I實(shí)現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電阻，故稱為本電路為負(fù)阻變換器。第47頁，共52頁。運(yùn)算