如何测量基本放大电路的输出电阻

如何测量基本放大电路的输出电阻

运算放大器是一个放大直流微弱电压的电子线路，而且是唯一能稳定地进行直流放大的电路。本章为了能让读者具体地领会运算放大器的基本用法，用一些与传感器相结合并具有代表性的电路进行说明。另外还从如何利用运算放大器输出的角度，举例说明了继电器驱动方法。对于交流放大，通过一个电路例子对频率特性的影响因子SR进行了说明。3.1 反相放大电路（高温测量）3.1.1 将温度变化转换成电信号如图3.1所示，将异种金属线相接，让连接产生温度差，就会有电压产生。这种现象叫塞贝克效应。例如，使用铜线和铁线就可以产生电压。使用塞贝克效应的温度传感器称为“热电偶”。热电偶由于能测量高达1500○C的高温，被广泛地用于工业传感器。铜和康铜（镍铜合金）热电偶的特性如图3.1所示，100○C的温度差可产生4mV左右的电压。所以，这种微小电压如果通过运算放大器放大后，所得到的信号就可以更方便地使用。3.1.2 放大倍数为100倍的反相放大器图3.2是在第1章1.6～1.8节说明过的反相放大器。将负反馈电阻的值代入下式可求得放大倍数。放大倍数A=Rf/Ra=100/1=100倍如图3.2所示的热电偶（温度传感器），每1○C的温度差产生0.04mV左右的电压。所以，由温度变化带来的这样微小的电压变化，用一般的电压表是测量不出来的。现在市场上销售的测试器中，电压标度为50mV的很多。如果放大倍数为100～200倍的话，用这样的测试器测量就足够了。运算放大器的放大倍数由负反馈电阻之间的比值关系决定。假设Ra=1kΩ,Rf=1000kΩ，则放大倍数为1000倍。但是，放大倍数设得过高，会使电路工作不稳定，所以，为了安全起见，初学者最好将它设在200倍左右。另外，要想得到准确的放大倍数，Ra和Rf必须使用精度高的电阻。3.1.3 反相放大器的输入电阻反相放大器的放大倍数由负反馈电阻的Ra和Rf的比值决定。如果电阻Ra的值取得很小，Rf的值取得很大，则放大倍数当然就会很大。但是，如果Rf太大，电路会工作得很不稳定，最好取1000 kΩ以内。对于Ra也有下面所说的限制。反相放大器的输入电阻（也叫阻抗）就是如图3.3(a)所示的负反馈电阻Ra的值。传感器一定含有内部电阻Rs。传感器的电压Vs经过电阻Rs和Ra分压后，形成反相放大器输入电压Vin。图3.3(b)中的曲线描绘了输入电压Vin是怎样随着电阻Rs和Ra的比值的增大而变小的。由此可知，当Rs＞Ra时，传感器部分的无用分压变大，所以，要求电阻Ra要比传感器的内部电阻Rs大。由于热电偶的内部电阻Rs非常小，反相放大器一般使用1～10 kΩ的输入电阻即可。3.1.4温漂怕热 运算放大器可以事先通过失调调整，使得当输入电压Vin为零时输出电压也为零。但是，如果工作时环境温度的变化很大，Vin即使为零也会有输出电压。这种现象叫温度漂移，简称温漂。引起温漂的原因，是运算放大器的内部平衡因温度变化而被破坏和外接的电阻值随温度变化而变化。即使一点点不平衡，由于运算放大器自身的放大作用会使它放大，进而影响输出电压信号。放大倍数越高，这个影响就越大。所以，为了使外部漂移被控制在很小的范围内，接在运算放大器周围的电阻（即运放的反相输入端和同相输入端对地直流电阻）需要获得平衡。为此，图3.2中加接了“对付漂移的电阻Rd”。电阻Rd的值按如下公式进行计算：Rd=(Ra×Rf)/(Ra+Rf)[ kΩ]放大倍数很小时，Rd可以省略。对于运算放大器的内部漂移，提出好的对策很困难。所以，在需要做精密放大器时，应该采用低漂移型的集成运算放大器。　3.2 同相放大电路（光度测量）3.2.1 将亮度变化转换成电信号图3.5是用硅电池（光电池）作光传感器进行光度测量的运算放大器电路。与上一节的反相放大器的区别是运算放大器信号的输入由端子2改成端子3。它的工作原理就是在第1章第1.5节里已说明的同向工作原理。3.2.2 放大倍数为10倍的同相放大器图3.6表示了一个装有杠杆的油压装置的同向工作原理。如果让阀门的油缸移动χ=5cm，则高压油会源源不断地流入操纵油缸，输出活塞开始朝着跟把柄A相同的方向移动。这一移动会连动杠杆，使阀门的活塞同样移动z=χ=5cm，当油的流动停止时，输出活塞也会停止。由于各活塞的移动分别与杠杆的长度成正比，由图不难得知z:y=5:25，求解此式得y=25cm。同相放大器的工作原理与油压装置的工作原理相同。例如在图3.7中，如果在端子3加0.6V，则输出电压会不断增加直到端子2达到0.6V为止。端子2的VB是输出电压VC经过负反馈电阻Ra和Rf分压后得到的电压。由分压电阻的比例关系可得VC=6V。所以，将负反馈电阻的值代入下式，可求得同相放大器的放大倍数。放大倍数A=(Ra+Rf)/Ra=(1+9)/1=10倍3.2.3 同相放大器的输入电阻和特征与反相放大器不同，同相放大器的输入电阻与负反馈电阻Ra的值无关，其值非常大，可以大到100MΩ。所以，即使传感器的内部电阻Rs非常大，也不会出现像图3.3(b)所示的那种影响。输入电阻非常大，这也是同相放大器的一个特征。为此，像硅电池那样，使用内部电阻Rs很大的传感器，最好采用同相放大器。下面给出了同相放大器几个不同放大倍数的负反馈电阻Ra和Rf可取的值。3.2.4 运算放大器的最大输出电压在放大倍数A=200倍的同相放大器中加入VA=0.2V的输入电压时，输出电压VC会达到40V吗？回答是“绝对不会”。运算放大器的输出电压最大可达到电源电压的70％左右。所以，如图3.8所示的电源电压为15V时，输出电压最大可达大约11V。反过来可算出A=200倍时输入电压VA必须在0.055V以内。3.2.5 运算放大器的负载电阻摩托车和汽车在爬陡坡时，会给引擎增加很大的负担。这叫超负载状态，对引擎会产生很不利的影响，但长时间空转也不好。引擎应该设计成承担适度负载。同样，运算放大器也规定了适度负载。使用运算放大器时，一般将晶体管、集成电路、电阻等作为负载接入输出侧。在测试电路中常用电阻来代替晶体管和集成电路等负载元件。适度的负载电阻值为2～10 kΩ。这里应注意的是，电阻值太小会使输出电流增大，从而形成超负载状态，但电阻值太大又会形成轻负载状态。　3．3 差动放大就是“夫唱妇随” 3.3.1妻子跟随丈夫 到前一节为止所描述的运算放大器的用法都是单独使用端子2（反相：妻）和端子3（同相：夫）当中的一个。图3.10描绘了一个在两个端子同时输入信号的差动放大电路。差动工作原理如图3.11所示。B点（妻：端子2）的电压VB在不断地朝D点（夫：端子3）的电压VD靠近过程中，输出电压一直在变化。当VB和VD达到一致，即VB=VD时，输出电压VO的变化停止。VB=VD意味着在端子2和端子3之间形成的电路构成了短路，但两端子之间的电阻值为无限大。由于有这样一种矛盾，所以称端子2和端子3之间的短路为虚短路。3.2.2 电阻型传感器的用法到前一节为止所描述的传感器都是通过温度或光来产生电压的发电型传感器。图3.12的热敏电阻RTH是随温度上升而电阻值变小的负系数电阻型传感器。在如图3.12(a)所示的电阻型传感器的电路中，电流从电池Es流入传感器，将电阻值变换成电压来形成输入信号V1。假如以0○C为基准进行测量。热敏电阻在温度为0○C时电阻值不为零，显然，输入信号V1在温度为0○C时也不为零。为了抵消它，通过R2和R3制作基准电压V2来进行差动输入。　3.4 运算放大器的本来面目是差动放大3.4.1 拉长会使电阻值增加胶皮圈儿拉长会变细。同样，电线拉长断面面积会变小。电线的电阻值与长度成正比，与断面面积成反比。所以说，拉长会使电阻值增加。利用这一现象将长度的变化转化成电阻值变化的传感器是应变计。图3.13表示了应变计的概要。用粘接剂将应变计贴到机械和建筑材料需要进行伸缩和弯曲测量的地方，根据电阻值的变化可检测物体的变形。这也是一种“电阻型传感器”。和上一节一样采用差动放大电路。3.4.2 通过检测物体的变形来测量重量用直径为20mm的钢棒拉重达12t的物体，钢棒会有0.0017的变形。如果把应变计和钢棒粘在一起，根据△l/l=0.0017，可得电阻的变化量为0.408 Ω。由图3.14可计算出输出电压为2.52V。这时如果用Rf和Ra来计算放大倍数A，那么这个Ra应该含有“R2和R3的并联值”。3.4.3 抵消因温度变化带来的测量误差在图3.14中，一根吊着推土机的钢棒即使不增加载重，随着温度的上升，也会变长。这种因温度变化引起的伸缩会影响应变计电阻值的变化，给测量值带来温度误差。于是，如图3.15所示的那样，在制作基准电压V2的地方也使用贴有应变计的材质相同的钢棒，这样，可以校正温度误差。这种校正温度误差的方法在光传感器以及其他的传感器中也经常使用。如果把钢棒做得很细，也能测量很小的载重。3.5 地线与高增益电路3.5.1 地线的处理方法到目前为止所说的电路中，地线都是用粗的裸线来描述的。地线不仅是与众多的元件相接的共用线，而且也是从输入端到输出端直通的“主干道”。在实际的产品中，地线在印刷线路板上占有很大的地盘。在装配电路时，如果地线连接得很乱，高增益电路会工作得很不稳定。所以，应按照如图3.16(a)所示的方法，把每个集成电路上的所有地线集中在一起，然后连接到一个点上。集中连接于一点的方法很重要。一般的电路图用如图3.16(b)所示的地线符号来表示与地线的连接。但是，在实际电路组装时应以每个集成电路为单位进行集中。事实上，这已是一种常识。3.5.2 增益可变的电路图3.16(b)将负反馈电阻Rf设计成了可变电阻，由此构成一个同相型的增益可变的电路。怎样选择Rf才能满足所需增益的要求呢？看一下第3.1、3.2节，就能知道解决这个问题的答案。3.5.3 增益很高的电路单纯考虑一下，觉得要得到高增益电路，只要将图3.17(a)所示将负反馈电阻Rf和Ra的比值取得很大即可。但是，如果Rf取得太大，会使流入Rf的电流变得很小，从而使电路工作不稳定。如果Ra取得太小，则会使输入电阻减小。于是，高增益电路需采用既不能使Ra太小又不能使Rf太大的方法，实际电路如图3.17(b)所示采用的就是这种方法。在这个电路中，要准确地求出放大倍数，需使用含有Ra和Rb的Rc去计算放大倍数。但实际上，电阻器有相当大的误差，实际的放大倍数是不能通过计算来获得的。如图3.17(b)所示的那样，在高增益的电路中连接一个用于祛除地线上的有害噪声电流的电容器C是很重要的。　3.6 施密特触发器3.6.1 同相放大电路与施密特电路的区别反相、同相电路采用的是负反馈方式，如图3.18(a)所示，输入电压与输出电压成正比例关系。与此相对照，施密特电路采用的是正反馈方式，如图3.18(b)所示，在输入电压的某一点输出电压突然发生跳变。图3.19描述了将平缓变化的交流电压输入到施密特电路后得到急剧变化的输出电压情况。对于很小的输入变化，需要输出明显的“白或黑”时，采用这种电路很有用。图3.20为油压活塞的施密特工作原理。通过杠杆向阀门的油缸施加正反馈，会形成和运算放大器一样的运动。3.6.2 线性电路和非线性电路在到现在为止所说明的反相和同相电路中，输出电压与输入电压都构成比例关系，按直线形式进行变化。这种关系如果用图去描绘，会形成图3.18(a)和图3.23(a)所示的形状。这样的放大电路称为线性电路。与此相对应，施密特电路输出电压与输入电压不构成直线比例关系，这种电路可称非线性电路。　3.7 灯到黄昏自动亮3.7.1 灯到黄昏自动亮用图3.21的电路可以检测傍晚时分的弱光，然后把灯点亮。随着光线的变暗，反相放大器的输出会按照图3.23(a)所示的特性曲线逐渐朝正极变化。因此，继电器的电磁力也会慢慢地增加，当达到某一点时，接点的引力会变得不稳定，进而迅速演变成越位。施密特电路的特性曲线如图3.23(b)所示，当输入电压达到某一点时，输出电压会突然发生跳变。因此，在图3.21所示的虚线框中放上施密特电路，可以使继电器的工作稳定可靠。但是，如果使用像cds这样高感度的传感器，即使不使用施密特电路，只需去掉负反馈电路，输出电压也会发生急剧跳变。3.7.2 继电器驱动电路图3.22表示了继电器驱动方法。运算放大器输出电流太小，不能直接驱动继电器。于是，通过功率晶体管将电流放大到100倍。与继电器线圈平行连接的二极管的作用可防止继电器工作时线圈产生的异常电压。切开图3.22的*部分，可以把这个电路与图3.2和图3.5等电路连在一起。　3.8 用运算放大器制作的交流放大电路3.8.1 连微动都没有的“静止”状态如图3.24所示，可以把流入电子器件中的电流信号分成直流信号和交流信号。进一步，交流又可分成模拟信号和数字信号。运算放大器本来就是用作直流放大的。所以，如果放大像热电偶之类的微弱直流信号，它的能力是很强的。如果用晶体管制作高增益的直流放大器，就会被漂移和偏置所困扰，很难保持“零点静止状态”。能解决这一困难的集成电路就是运算放大器。3.8.2 用运算放大器制作的交流放大电路运算放大器最能发挥实力的领域是直流信号放大，但在低频范围内，也可用作交流信号放大，图3.25的交流放大电路就是一例。前面所描述的反相电路（图3.2）和同相电路（图3.5）可以不作修改地用作交流放大。运算放大器在进行交流信号放大时，随着频率的升高，放大倍数会下降。比较容易使用的频率范围大约在100kHZ以下。在处理数字时也一样，高频范围不能使用。3.8.3不管怎么敲打，就是动得不敏捷 如图阀门即使迅速移动，油的流动也在阀门移动之后才开始，输出活塞要移动一段冲程，多少需要一点时间。因此，输出活塞的动作对于阀门的动作来说“有点迟缓”。也就是说，不管怎么敲打，也不能敏捷地动起来。3.26所示，如果猛地锤打，让油压装置的阀门啪嚓一声，瞬间内产生移动，输出活塞会怎样移动呢？ 3.8.4运算放大器的过渡特性和转换速率 运算放大器跟油压装置一样。如图3.27所示，通过开关输入阶跃电压，输出电压跟不上，出现延迟。这是因为流入集成电路中的“电子的流动”同油一样会出现一点延迟。像这种由急剧的输入变化引起的输出变化称为过渡特性。 图要从数量上对这一特性进行描述，可用3.28给出了几个运算放大器过渡特性的例子。根据种类的不同，分别用①、②、③表示了各自的过渡特性。1μs时间单位的电压变化来表示，这种特性参数被称为转换速率（SR）。 曲线①SR=9/6=1.5 曲线②SR=3 曲线③SRSR=1表示输出电压的瞬间变化能力。SR越大，敏捷性就越强，交流特性也就越好。SR值即使不变，如果输出电压很小，延迟也会很小。所以，在小输出电压范围内使用可以提高交流特性

看懂点路，用万用表一测