电气自动化专业英语全文翻译要点.docx

《电气自动化专业英语全文翻译要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气自动化专业英语全文翻译要点.docx（100页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电气自动化专业英语全文翻译 第一部分:电子技术 第一章电子测量仪表 电子技术人员使用许多不同类型的测量仪器.一些工作需要精确测量面另一些工作只需 粗略估计rough estimates.有些仪器被使用be used to仅仅solely是确定线路是否完整.最常用的测量测试仪表有:电压测试仪voltage testers,电压表voltmeters,欧姆表ammeters, ohmmeters连续性测试仪continuity testers,兆欧表megohmmeters,瓦特表wattmeters还有瓦特小时表所有测量电值的表基本上都是电流表. 他们测量或是比较通过他们的电流值. 这些仪表 可

2、以被校准calibrate并且设计了不同的量程scale,以便to读出期望的数值. 1.1 安全预防safety precaution仪表的正确连接对于使用者的安全预防和仪表的正确维护是非常重要的. 仪表的结构construction和 操作的基本知识能帮助使用者按安全工作程序safe working order来对他们正确连接和维护. 许多仪表被设计的 只能用于直流或只能用于交流,而其它的则可交替使用interchangeably.注意:每种仪表只能用来测量符合 设计要求的电流类型. 如果用在不正确的电流类型中可能对仪表有危险并且可能对使用者引 起伤害. 许多仪表被设计成are constr

3、ucted to只能测量很低的数值,还有些能测量非常大的数值. 警告: 仪表不允许超过它的额定rated最大值maximum limit. 不允许被测的实际数值超过exceed仪表最大允许值的要求 再强调也不过分overemphasized.超过最大值对指针indicating needle有伤害,有害于interfere正确校准proper calibration,并且在某种情况下and in some instances 能引起仪 表爆炸explode造成result in对作用者的伤害.许多仪表装备了are equippedwith过载保护over correct protection.

4、然而,通常情况下电流大于仪表设 计的限定仍然是危险的hazardous. 1.2 基本仪表的结构和操作 许多仪表是根据电磁相互作用electromagnetic interaction的原理动作的.这种相互作用是通过流过导体的电流引起的 (导体放置在永久磁铁permanent magnet的磁极poles之间) .这种类型的仪表专门适合于is suit for直流电direct current. 不管什么时候电流流过导体, 磁力magnetic force总会围绕导体形成is developed. 磁力是由在永久磁铁力的作用下起反 应react的电流引起.这就引起指针的移动. 导体可以制成线圈

5、coil,放置在永久磁铁磁极之间的枢钮(pivot 中心)上.线圈通过两个螺旋 型spiral弹簧springs连在仪器的端子上.这些弹簧提供了及偏差成正比proportional的恢复力deflection.当没有电流通过时,弹 簧使指针回复到零. 表的量程被设计来指明被测量的电流值.线圈的移动(或者是指针的偏移)及线圈的电流值 成正比.如果必须要测量一个大于线圈能安全负载的电流,仪表要包含旁路bypass circuit或者分流器shunt.分 流器被容纳在仪表盒内或者连接到外部. 例子 一个仪表被设计成最大量程scale是 10A.线圈能安全负载 0.001A,那分流器必须被设计成能负

6、载 9.999A.当时.001A 流过线圈时指针指示 10A. 图 1.1(A)说明了一个永久磁铁类型仪表.图 1.1(B)显示了一个外部分流器连接到仪 表端子上. 永久磁铁类型仪表可以被用作安培表或者电压表. 当量程被设计成指示电流并且 内阻internal resistance保持最小时, 这个表可以作为安培表用. 当量程被设计成指示电压, 内阻相对relatively高一些时, 这个表可以用来测量电压值.注意:不管如何设计,指针移动的距离取决于线圈的电流值. 为了让这类表用在交流电中,在设计时必须作微小的改动.整流器rectifier可以把交流变成直流电. 整流器合并incorporat

7、e进仪表中并且量程要指示出正确的交流电压值. 整流器类型的仪表不能用于直流 电中并且它一般被设计成电压表. 如图 1.2,电测力计electrodynamometer是另一种能用于交流电alternating current的既能作安培表也能作电压表的仪器.它由两 个固定线圈stationary coils和一个移动线圈movable coil构成consist of. 这三个线圈通过两个螺旋型spiral弹簧串联in series with在一起. 这个弹簧支 撑住移动线圈.当电流流行性过线圈时移动线圈顺时针方向in clockwise direction移动. 电测力计因为属永久磁铁型仪表

8、it is in permanent magnet-type meters, 量程不是均匀分布的the scale is not divided uniformly. 作用在动线圈上的力根据流过该线 圈的电流平方the square of the current flowing through the coil来变化vary with.有必要在量程开始比量程结束分割的密一点.分割点之间距离越大, 仪表的读数越精确.争取strive for 精确的读值an accurate reading是重要的.移动叶片moving-vane结构是仪表的另一种类型.电流流过线圈引起cause两个铁片iron

9、stripes(叶片)磁化to become magnetized.一个叶片是 可动的,另一个是固定的sationary.在两个叶片间的磁的作用引起可动叶片扭转turn.移动的数值取决于 线圈的电流值. 警告:所有描述的取决于磁力作用的仪器,都不要放置在另一个磁性物质附近.它的磁力可 能对引起仪表故障或者导致测量值不准确. 1.3 测量仪器的使用 电压表a voltmeter是设计来is designed to测量measure电路applied a current的电压electrical pressure或者通过元器件across a component的压降voltage drop. 电

10、压表必须及被测量的电路或元器 件并联in parallel with.1.3.1 压力检验计(电压检测计) 交-直流电压检验计是一种相当粗糙crude但对电工electrician来说很有用的仪器.这种仪器指示电压的近似 值.更常见类型指示的电压值如下:AC,110,220,440,550V,DC,125,250,600V. 许多这种仪器也指示indicate直流电的极性polarity.那就是说(i.e=that is)电路中的导体是阳性positively(正)的还是 阴性negatively(负) . 电压检验计通常用来检验check公共电压common voltages,识别ident

11、ify接地导体grounded conductor,检查to check for被炸毁的保险丝blown fuses,区分 distinguish AC 和 DC. 电压检验计很小很坚固rugged,比一般的电压表average voltmeter容易携带和保存.图 1.31.4 描述了depict用电压检验 计检查保险丝的用法methods. 为了确定电路或系统中的导体接地, 把测试仪连接在导体和已建立的地之间. 如果测试仪指 示了一个电压值,导体没有接地.对每一个导体重复这个步骤continue this procedure直到until零电压zero voltage出现is indica

12、ted(见图 1.5) . 为了确定任意两个导体间的近似电压值,把测试仪连接在导体之间. 警告:要认真读并遵守电压检验计提供supplied的说明书instructions. 1.3.2 电压表 电压表比电压检验计测量更精确. 因为电压表及被测量的电路或元件并联, 必须有相对高一 点的电阻. 内阻要保证通过仪表的电流最小. 流过仪表的电流越小, 对电路特性electrical characteristics的影响effect越小. 仪表的灵敏度sensitivity用符号 O/V 表示is stated.这个数值越高仪表的质量越好.高灵敏度可使电路特性的改变减到最小. 电工使用的仪表精确度在

13、95%到 98%之间.这个精确度范围对大多数应用是满意的.然而, 电力工作者力求strive to obtain最精确的可能读数是重要的. 一个精确读数可以在仪表盘上显示standing directly in front of the meter face也可以直接读出来.如果在指针后面有镜子,调整视线的角度直到指针在镜子中看不到映象.如要更精 确可以使用数字表. 电压表有及电压检验计同样的应用. 电压表比电压检验计更精确. 因而, 也支持更多的应用. 例如,如果一个建筑物的供电电压低于正常值slightly below normal,电压表能指示出这个问题.电压表也用来确定馈电线on fe

14、eder和支线电路导体branch circuit conductors的压降值voltage drop. 电压表有时有不只一个量程. 选择一个能更精确测量的量程很重要. 选择器开关范围达到这 个目的.注意:开始用一个适当的高一点的量程,然后逐渐降低到在限定范围之内的最低量 程.设定选择器开关在可用的最低量程上能使读数达到最精确. 使用仪表之前,要检查仪表确保指针指在零上.在仪表盘下面有一个调整螺钉an adjustment screw.一个轻微的 扭动就能使指针偏移.扭转调整螺钉使指针对准零线. 当在 DC 中使用电压表时,保持maintain正确proper的极性是很重要的.大多数的直流电

15、源和仪表都用颜色标记color coded极性polarity.红色指示阳极,黑色指示阴极.如果电路和元件的极性未知,触一下端子的导线leads观察observing指针indicating needle.如果指针犹豫着试图attempts to摆动,仪表导线连接就要颠倒一下be reversed. 警告:不要让仪表连接反的极性polarity reversed. 1.3.3 安培表 安培表是用来测量电路或部分电路的电流数量的. 他及被测电路元件串联连接. 仪表的 电阻必须非常低这样不会影响restrict流过电路的电流. 当测量很灵敏的设备的电流, 安培表电流的 轻微改变可能会引起设备的故障

16、. 安培表象电压表一样, 也有一个调零的调整螺钉. 许多仪表也有镜子帮助assist使用者保证读数精 确in obtaining an accurate reading. 安培表常用来找出过载或者开路.他们也用来平衡线路的负荷loads on multiwire circuits和确定故障位置malfunctions. 安培表总是及被测电路或元件串联连接.如果使用在 DC 下要检查极性.图 1.6(A)显示 了安培表测量电路的电流.图 1.6(B)显示的是 AC 安培表. Chap2 固体功率器件的基本原理 2.1 引言(绪论) 本章将集中讨论固态功率器件或功率半导体器件,并且只研究它们在采用

17、相控(电压控制) 或频率控制(速度控制)的三相交流鼠笼式感应电机的功率电路中的应用. 2.2 固态功率器件 有五种用于固体交流电机控制中的功率元器件: (1) 二极管 (2) 晶闸管(例如:可控硅整流器 SCR) (3) 电子晶体管 (4) 门极可关断晶闸管(GTO) (5) 双向可控硅 晶闸管 SCR 和双向可控硅一般用于相位控制(相控) .各种二极管,晶闸管 SCR,电子晶体 管,门极可关断晶闸管的联合体用于频控.这些器件的共性是:利用硅晶体形成的薄片构成 P-N 结的各种组合.对二极管,SCR, GTO 一般 P 结叫正极 N 结叫负极;相应的电子晶体 管叫集电极和发射极.这些器件的区别

18、在于导通和关断的方法及电流和电压的容量. 让我们根据他们的参数简单看一下这些元器件. 2.2.1 二极管 图 2.1 显示了一个二极管,左边部分显示的是在硅晶体中的一个 PN 结,右边显示的是二 极管的原理图符号. 当 P 相对于 N 是正时,由于节上有一个相当低的压降,前向电流开始流动.当极性相反时, 只有一个极小的反向漏电流流动.这些用图 2.2 阐明.前向电压通常大约有 1V,不受电流 额定值的影响. 二极管正向导通电流的额定值取决于其尺寸和设计, 而这二者是根据器件散 热的要求来确定的,以保证器件不超过最大结温(通常为 200C) . 反向击穿电压是二极管的另一个重要参数. 它的值更取

19、决于二极管的内部设计而不是它的物 理尺寸. 注意:一个二极管只有当加上正向电压时才会正向导通.它没有任何固有(内在的)的方法 控制导通的电流和电压值. 二极管主要用在交流电路中作整流器,这意味着它们把 AC 整流成 DC,同时产生的直流电 流和电压值没有固有的控制方法.单二极管可用额定值到 4800A 和最大反向电压 1200V, 2000A 最大反向电压 4400V. 2.2.2 晶闸管 图 2.3 显示了晶闸管(一般也叫可控硅)的 PN 结排列和它的原理图符号.注意这不同的 结从正到负是 PNPN,还有一个门极连到了内部的 P 层. 如果没有连门极,并且阳极加反向电压,从正极到负极就没有电

20、流通过.这是因为内部 P 结由于未通电而工作在阻断电路.这种情况对于正向阻断状态也是正确的.然而,当阳极是 正的并且正信号作用到门上,则电流将从正极一直流向负极即使门极没有正信号. 换言之, 门极能打开晶闸管但不能关断它. 关断晶闸管的唯一方法是通过外部方式在正 极强加上一个零电流. 因此在前向导通只能通过强加零电流停止方面, 晶闸管及二极管是相 似的.然而,晶闸管及二极管在如何启动前向导通方面是不同的. (1)阳极是正(2)门时 刻是正.这个特性暗指了术语可控硅 . 图 2.4 阐明了晶闸管的稳态伏安特性.注意反向电压和反向泄漏电流的形状及二极管的很 相似.反向电压导通时比二极管的高,通常有

21、 1.4V.阻断状态也有一个极小的前向泄漏电 流. 在二极管中,稳态电流值是由器件的性能和底座(散热器)散发的热量确定的.晶闸管的最 大结温比二极管要低,大约在 125C.这意味着在同样的额定电流下,加上 1.4V 的前向压 降,晶闸管比二极管的前向压降大的多.单晶闸管可用额定值在最大反向电压 2200V 超过 2000A,在在最大反向电压 4000V 超过 1400A. 2.2.3 电子晶体管(电子管) 图 2.5 列出了一个典型功率电子管的结排列,原理符号图和伏安特性.如果集电极为正, 除非在基电极和发射极间有电流才有电流从集电极到发射极. 及晶闸管比较, 只有在基极有 电流时, 电子管没

22、有从集电极到发射极的自锁电流. 基极开路, 集电极到发射极将阻断电流. 功率电子管及晶闸管在控制前向导通的启动时相似. 它及晶闸管不同的地方在于它能控制关 断和交流电机频率控制所必需的换向. 注意伏安特性没有显示反向特性.一般的,一个反向分流二极管连在发射极和集电极之间, 以保护电子管受反向电压伤害.功率电子管的可用额定值是最高反向电压 1000V400A. 2.2.4 门极可关断晶闸管 GTO 图 2.6 显示了 GTO 的原理符号.GTO 及晶闸管的相似处在于 PNPN 结的排列和前向电流 的操作.如果阳极是正的,导体的启动是通过作用在门上的正脉冲.然而硅片和结是利用特 殊特性设计的,所以

23、即使阳极保持正值,加到门上的强负电流作用迫使前向电流阻断.GTO 常用的瞬间额定值是 PRV1200V2400A. 2.2.5 双向可控硅 图 2.7 显示了双向可控硅的原理符号图.一个双向可控硅由一个特殊的晶闸管包(包含前 向和反向晶闸管)组成,它的操作由一个门极控制.他们常用在调光器电路中或者作为继电 器的开关, 这样截止态下很小的泄漏电流不会引起其它控制器的误操作. 随着增加电流容量 可控硅的可用性使他们用于交流电机的相位控制中. 2.3 功率半导体容量 功率器件在稳态交流电机马力范围大于 600V 时如何用,用在哪里摘要显示在表 2.1 中. 马力额定值基于没有并联的器件. 2.4 功

24、率半导体的物理特性 在物理特性条件下,有三类最常用的功率半导体: (1)栓接式(2)薄片或冰球式(3)绝缘 散热器类型.他们的共同特征是需要及其它器件有物理联系.这器件叫散热器,为了保持结 温在设计值内把内部热量散发出去.散热器吸收结的热量通过散热片,轮片(螺旋桨叶片) 或者液体冷却剂发散出去.液体冷却剂几乎从不用于 600V 级的固态交流电动机控制中,而 且也不包含在我们的讨论中. 这三类功率半导体的不同在于它们如何安装, 他们如何及散热 器连接. 2.4.1 栓接式 螺纹部分可能是 PN 结的一部分,或者是及有源电子部分电子绝缘.在任一种情况下,螺纹 部分常常插入散热器的螺纹孔. 栓接式器

25、件在小马力额定值下常用来作为直接功率控制器件, 在大马力额定值下常用来作为 辅助保护器件.在后一种情况下,它们常直接安装在较大器件使用的散热器上,如冰球式设 计. 2.4.2 冰球式器件 典型冰球式功率器件可能是二极管, 可控硅或 GTO. 尺寸范围直径从近似 25MM 到 100MM. 每一个平坦的面即不是 P 也不是 N 结.热传递和导电从这表面产生.冰球式器件典型安装 是联接铝型材的散热器.特别的箝位电路,联接绝缘混合剂和扭矩扳手都是需要的,用来确 定光热传递和电导率. 由于栓接式和冰球式器件的散热器都能传递电流, 他们必须及机械底托电子绝缘. 轮片能加 到散热器上增加热量排放并且增大固

26、定负荷状态的完成. 由于散热器能在同样电压水平下作为功率器件, 冰球式和栓接式的固态 AC 电动机控制必须 通过附件(外壳)供给.附件(外壳)必须有合适的通风口或热交换器使得热量能散发.它 不会用在放在安全封套中的用法,例如象 NEMA12 的密封盒或相似的外围物. 2.4.3 绝缘散热器件 绝缘散热器功率器件可能是二极管,可控硅,GTO,三极管或双向可控硅.单个的包包含器 件的联合体,在内部以线加固.区别的特征是术语绝缘散热器 .有一个铝底盘在每个包 下面.这个底板及功率器件之间是导热并绝缘的.结的大部分热量传给了铝盘.这个底板依 次安装在第二个更大的散热底板上.这个更大的散热底板在对面有鳍

27、状表面. 绝缘散热器的设计使它自己是个完全封闭的设计. 他们也有经过预包装的已经内部加固过的 复合器件的优点. 他们的缺点是通过底部安装的底板散热的能力有限, 所以固定负荷状态必 须小于开放的散热器安装在冰球式器件上. 尽管如此, 绝缘散热器在一般应用和器件容量 的使用上迅速增长. 在较高的左上角的排列是唯一的, 同样它联合了有所有封闭设计的绝缘 散热器概念的冰球式的优点(例如,易替换,易互换) .它也被恰当的称为开放块状模 式. 2.5 换流 在深入的讨论实际的固态交流电机的控制之前, 将换流的概念和种类阐述清楚是必要的. 换 流的不同类型指所有讨论的固态电动机控制. 换流是功率半导体器件中

28、负载电流被截止或停止流动或转换到另一回路的过程. 有以下三种 换流方式: (1)自然或线电压换流(2)负载换流和(3)强制换流. 2.5.1 自然或线换流 图 2.8 显示了功率半导体电路把 AC 转换成 DC.这个列举 chap 3 模拟电子 3.1 介绍 3.1.1 模拟和数字电子的对比 我们已经研究了晶体管和二极管作为开关设备怎样处理被以数字形式描述的信息(数 字信息) .数字电子象用电力控制开关那样使用晶体管: 晶体管被饱和或者切断.动态区域 只是从一个状态到另一个状态的过渡. 对比起来, 模拟电子取决于晶体管和其他类型放大器的动态区域. 希腊词根analog 意 味着 以一定的比例

29、,在这里表示信息被编码成及被描述的量 (被表达量) 成正比的电信号. 在图 3.1 中我们的信息是某种音乐,是乐器的激励和回响自然发起(引起) .被传播出 的声音在于空气分子的有规则的运动并且被最好作为声波理解. 在话筒(扩音器)的振动 膜里的这些产生的运动,依次产生一个电信号.电信号的变化及声波成比例(在电信号方面 的变化是声波的成比例表现) .电信号被通过电子放大,即利用输入放大器的交流电能将信 号的功率放大. 放大器的输出驱动一个录音磁头并且在磁盘上产生波浪状的槽沟. 如果整个 系统是好的,空气的一切声变将被记录在磁盘上,当记录被通过一个相似的系统播放时,信 号通过一个扬声器作为声音能量

30、再传播出来,结果原始音乐被如实的再现了. 基于模拟原则的电子系统形成一类重要的电子仪器. 收音机和电视的广播是模拟系 统的典型例子,许多电子仪器也是模拟系统,它们的应用包括偏差检测(应变计量器) ,运 动控制(测速机)和温度测量(热电耦) .许多电子仪器-电压表,欧姆表,安培表和示波 器利用了模拟技术,至少部分利用了模拟技术. 在数字电子计算机被发展之前,模拟计算机一直使用.在模拟计算机中,微分方程里 的未知量被用电信号来模拟. 这些信号被用电子的方法积分,比例变换和求和以获得方程 的解,比起解析或数值运算的求解方法要容易一些. 3.1.2 本章的主要内容 模拟技术广泛地运用频域的观点.我们首

31、先扩大我们的频域的概念包括周期,非周期 和随机信号. 我们将看到大多数模拟信号和过程可以被表示为频域. 我们将介绍频谱的概念, 也就是,用同时存在的很多频率来表达一个信号.带宽(频宽)(频谱的宽度) 在频域上将 及时间域上的信息率有关. 频域的这个被阐述的概念也帮助我们区分线和非线性的模拟设备的影响. 线性电路被 显示有滤波器 的能力而不需要频率组件.对比起来,新频率可以被象二极管和晶体管那 样的非线性的设备产生.这种性能允许我们通过调幅和调频调制技术在频域上转换模拟信 号, 这种调制技术已被公开广泛地使用公用和私人通信系统. 作为一个例子我们将描述一台 调幅收音机的操作. 下面我们研究一下反

32、馈的概念, 在模拟系统中通过反馈可以交换到象线性或者更宽的带 宽那样合乎需要的质量. 如果没有反馈, 象音频放大器或者电视接收机那样的模拟系统最多 提供了一个糟糕的性能. 理解反馈的好处可以提供正确评价模拟电子中运算放大器的很多用 途的基础(提高对模拟电子中运算放大器的很多用途的认识) . 运算放大器 (简写 OP amps) 是模拟电路的基本组成部分,正如 NOR 或非和 NAND 及非门电路是数字电路的基本单元一样. 我们将介绍一些运算放大器一般应用, 以在模拟 计算机里的他们的用途来结束. 3.2 运算放大器电路 3.2.1 介绍 (1) 运算放大器的重要性.运算放大器是一个在受负反馈控

33、制的高增益的电子放大 器,用来在模拟电路中完成很多运算功能.这样的放大器最初被发展完成运算,例如在模拟 计算机里为微分方程的求解的积分和求和. 运算放大器的应用被增加了, 直到目前为止, 大 多数模拟电子电路基于运算放大器技术.例如,你需要一个放大器获得 10 倍的增益,便利, 可靠性, 费用考虑将确定使用一个运算放大器. 因此, 运算放大器形成模拟电路的基本构件, 正如 NOR 或非和 NAND 及非门电路是数字电路的基本单元一样. (2) 运算放大器模型典型的特性.典型的运算放大器是利用十多个晶体管,几个二 极管和很多电阻器的一个复杂的晶体管放大器. 这样的放大器被在半导体芯片上批量生产并

34、 且售价少于 1 美元一个.这些部件是可靠,耐用的,并且在他们的电子特性接近理想. 图 3.2 显示一台运算放大器的基本特性和符号.有两个输入电压 u+和 u _ ,用大的电 压增益差分放大, 通常达 105 - 106. 输入电阻 R 也很大, K -100 M 欧. 100 输出电阻 Ro 很 小, 10-100 欧. 放大器经常用正极(+ Ucc) 和负极(-Ucc) 电源提供直流电源. 对这个情况来 说,输出电压在供电电压之间,- UccUo+ Ucc. 有时一个电源接地( 即,-Ucc =0). 这 样的话输出电压在 0Uo+ Ucc 之间.电源连接很少被画进电路图,可以认为运算放大

35、器和 合适的电源连结起来.因此运算放大器接近一个理想的电压放大器,有高的输入电阻,低的 输出抵抗和高的增益. 高增益通过使用强大的负反馈变为其他有用的特征.负反馈的全部好处被运算放大器 电路利用了. 对那些早在这章里列举, 我们将为运算放大器电路还增加 3 个好处: 低扩张性, 便于设计,和简单的构造. (3) 这节的内容.我们首先分析两个普通运算放大器应用,反相和同相放大器.我们 通过一个简单而有效对任何运算放大器电路使用的一种方法,推导出这些放大器的增益. 我们然后讨论有源滤波器.这是有(带了)增加了频率响应的电容器的运算放大器.然后我 们简单讨论模拟计算机,以讨论运算放大器的一些非线性的

36、应用来结束. 3.2.2 运算放大器 (1) 反相放大器. 反相放大器,用图 3.3 显示,使用一个运算放大器和两个电阻. 运算放大器的输入是地(零信号) ; 负(-) 电源连接输入信号(通过 Ri) 并且(通过 RF) 反馈到 输出信号.在下列讨论中容易混淆的是我们必须同时谈到两个放大器.运算放大器是在负反 馈放大器里形成放大要素的一种放大器, 负反馈放大器包含运算放大器加上相关电阻. 为了 减少混乱,我们保留术语 放大器 只用在反馈放大器的总体上.运算放大器绝不是一个放 大器;而被叫为运算放大器.例如,如果我们对放大器提及输入电流,我们指通过 R1 的电 流,并非进运算放大器的电流. 我们

37、在图里能求出 3.3 反相放大器的增益,通过求解基本的电路法则(KCL 和 KVL) 或者通过试图把电路分成主要放大器和反馈系统模块.不过,我们将提出另一方法,这种方 法基于运算放大器增益很高,接近无限.在如下内容里,我们将给一般的假设,这可提供给 任何运算放大器电路;然后我们将把特定假设用于目前的电路.因此,我们将建立反相放大 器的增益和输入电阻. (1) 我们假定输出表现良好不试图达到无限.因此我们假定负反馈使放大器稳定, 因此适度的输入电压产生适度的输出电压.如果电源是+ 10 和-10 V,例如,那些输出必须 位于这些有限值之间. (2)因此,运算放大器的输入电压非常小,基本上零,因为

38、它是输出电压除以运算放 大器的大的电压增益 U+-U _ =0 = U+= U _ 例如,如果 lUol10 V 并且 A= l05, 然后我 u+ u _ l10 /lOs = 100 UV. 因此对任 何运算放大器电路通常 u + 和 u _ 在 100 uV 或更少内相等. 对在图 3.3 的反相放大器来说, u+接地; 因此,u _ =0. 从而,放大器的输入电流将为 Ui-u _ Ui 见(3.1) il = Ri R 1 (3) 因为 u+=u _ 并且 Ri 很大,进入放大器的+极和-极的运算放大器的输入电流将非 常小,基本上零 见 (3.2) 例如, Ri = 100 k, i

39、 _ 10-4 /lOs = 10-9 A. 对于反相放大器,公式 (3.2) 暗示输入端的电流 I 流过 RF, 如图 3.4 所示. 这允许 我们计算出输出电压.RF 两端电压是 iiRF,因为 RF 的一端连接 u-=0,因此电压增益将是 见 (3.3) 在增益表达式中的负号表明输出和输入反相:在输入端的一个正的信号将在输出端产 生一个负的信号.公式(3.3) 显示增益取决于 Rf 和 R1 的比率.这将暗示那只是比率而不是 Rf 和 Ri 个别价值.如果放大器的输入阻抗是不重要的,这将是真实的,但是一个放大器 输入阻抗经常是关键的.反相放大器的输入阻抗将由公式 (3.1)显示; Ri

40、= Ui i R,(3.4) 对一个电压放大器来说,输入电阻是一个重要的因素,因为如果 Ri 太低信号源(Ui) 可能负担过重.因此在设计过程中,Ri 一定充分高以避免负荷问题.一旦 Ri 固定,RF 可 以选择取得所需要的增益. 因此个别的电阻的值变得重要, 因为他们影响放大器的输入阻抗. 让我们设计一个增益是-8 的反相放大器.输入信号是来自一个有 100 欧的输出电阻 的电压源.降低负载,输入电阻 Ri,必须比 100 大得多.对削减 5%负载来说,我们将确定 R 1 = 2 000 . 取得增益-8(实际上-8 的百分之 95, 考虑到负载) ,我们需要 Rf = 8 x 2 000=

41、 16 k . 反馈影响支配放大器的特性.当输入电压被提供,u_的值将增加.这将引起 Uo 迅速 朝着负的方向增加.这负电压增加了那些值,在哪里 Uo 通过 RF 对-负输入的影响通过 R1 取消 Ui 的影响. 换句话说, 由于运算放大器的输入电流极其小, 输出将自我调整通过 Rf 收 回任何电流(通过 R1 ,Ui 注入的) .在这种方式下输出只取决于 RF 和 Ri. (2) 同相放大器.对于在图 3.5 显示的同相放大器来说,输入连接阳极.从输出, 反馈连结到运算放大器的负输入端,作为所要求的负反馈.为确定增益,我们使用上面略述 的假定. (1) 因为 u+ =u _ ,那么 u _

42、=Ui(3.5) (2) 因为 i _ =0,RF 和 R1 有相同的电流.因此通过一种分压器关系 Uo 及 u_有关. u _ =Uo R1 + RF (3.6) 结合公式(3.5) 以及(3.6) ,我们建立增益是 Ui = UORi+RF = Au = +(1 + ) (3.7) 在增益表达式之前的正信号强调放大器的输出及输入有相同的极性:正的输入信号 产生一个正的输出信号.再次我们看到 Rr 和 Ri 的比率确定了放大器的增益. 当一电压加到放大器上,输出电压迅速增加并且将继续上升直到 Ri 的端电压等于输 入电压.因此小输入电流将流入放大器,并且增益只依赖 Rr 和 Ri. 同相放大

43、器的输入阻 抗将非常高,因为放大器的输入电流也是运算放大器的输入电流,i+,必须极其小.超过 1 000M 的输入电阻值用这条电路很容易达到.高输入电阻的特征是同相放大器的一种重要的 优势. 3.2.3 有源滤波器 (l) 有源滤波器是什么? 一个有源滤波器把滤波及放大结合起来.我们早先研究的 电阻过滤器被叫作无源滤波器, 因为他们只提供滤波. 有源滤波器使用一运算放大器提供增 益,同时在输入和反馈电路中加入电容器以形成过滤器特性. 我们早先在时域得到反相放大器的增益特性. 在图 3.6 我们显示频域版本.我们很 容易的把早先的出处转换成为频域. 滤波器功能,F u(w) ,因此是二个阻抗的比

44、率,并且通常给出滤波的增益.我们可能 写负号作为 180 度移动,因为在频域反相相当于 180 的相移. (2) 低通滤波器.把一个电容器及 RF 并联的(参阅图 3.7) ,在高频上倾向于降低 Zf 因 此有了放大器增益,从而,这个电容器通过增益把一台反相放大器转变成低通滤波器. 我 们可能写 (3.8) 因此增益将是 (3.9) 这儿 Au = -RF/Ri,增益中没有电容器,Wc = 1 /RrCF 将截止频率. 放大器的增益近似常数 直到频率超过 Wc,在此之后,增益随 WC 的增加而减少.滤波器功能的波特图显示在 3.8, 在这儿 RF = 10 k Rl = l kll 和 CF=

45、1UF (3) 高通滤波器.高通滤波器被用图 3.9 显示,使用了一个电容器及 R1 串联以在低频段降 低增益.分析的细节将被留到下一个问题.滤波器的增益是 在这里 Au = -RF/Rl 是没有电容器的增益, WC= I/Ri Cl 是截止频率, 低于截止频率放大器增 益将降低.这个滤波器特性的波特图显示在 3.10. (4) 其他有源滤波器.通过使用更先进的技术,能仿真 RLC 窄带带通滤波器,并且通过使 用另外的运算放大器, 很多复杂的滤波器特性可以被获得. 这种应用的讨论不属于本文的范 围,但是有很多手册显示了电路并且给出有源滤波器的设计资料. 3.2.4 模拟计算机 经常一个微分方程

46、通过积分求解. 积分可以通过解析的方法或者以数值法在一台数字 电子计算机上被完成.积分也可通过一个运算放大器电路执行.的确,运算放大器最初是为 了微分方程的电子积分被发展的. (1) 积分.在图 3.11 中运算放大器电路通过一个电容器使用负反馈进行积分. 我们已经把反馈线路上电容器充电到 U1 的原始值, 然后在 t= O 时除去这预偏电 压.在开关打开之后,让我们检查电路的初态(在调查将发生什么之前) .由于 u + 大约是 零,因此将是 u-,并且因此,输出电压被固定在-U1.放大器的输入电流,Ui/R,将流过 U1 电源并且进入运算放大器的输出.因此输出电压将保持在 - Ul 直到开关

47、打开. 在 t = 0 开关被打开之后,输入电流将流过电容器,因此 Uc 将是 因此电路的输出电压是 (3.10) 除了负号, 输出是 Ui 的积分值被 1 /RC 除,我们通过选择适当的 R 和 C.的值取得任意数. (2) 缩放比例和求和.我们需要两条其他电路以模拟计算机方法解决简单的微分方 程.缩放比例涉及乘以一常量,例如 U2 = 这里 K 是常量.这是一个放大器的方程式,并且因此我们将在图 3.3 里使用反相放大器为获 得 信号,或者在图 3.5 中使用同相放大器以获得+信号. 加法器产生两个或更多信号的加权和. 图 3.12 显示有二输入端的一个加法器. 我们 可能通过使用我们早先

48、使用的理解反相放大器的相同的推理理解电路的操作.由于 u _ =0, 通过 Ri 和 R2 的电流总数为 (3.11) 输出电压将调整自己通过 RF 拉这个电流,并且因此输出电压将是 Uo =-iiRF =-(U, R + U2 ) 输出将是被增益系数,Rr/Rl 和 Rr/R 2 分别加权后的 Ul 和 U2 的和.如果反相不需要 加法器产生,加法器随后跟一个反相,一个增益为-1 的放大.很清楚,我们能加上另外的 输入及 Rl 和 R 2 并联. 在下面例子里, 我们将对 3 个信号求和以解决一个二阶微分方程. (3) 解决 DE.让我们设计一个模拟计算机电路求解微分方程 (3.12) 除最

49、高阶导数之外,移动所有项到右侧 (3.13) 对公式(3.12) 的求解电路被用图 3.13 显示.这个电路包含两个积分电路对公式(3.13) 左边进行积分,一个加法器表达公式右边部分, 两个反相器改正信号符号.同相输入接地, 并且输入和反馈连接到运算放大器的反相输入端.因此我们只显示反相的输入.用 d2u/dt2 作积分电路的输入,第一个积分电路的输出将是 - du/dt 电池给出 3 V 的起始条件,如同在 公式( 3.13 )里.,因此第二个积分电路的输出将是+ u 初始条件-2 V) . 这个输出被输入到 ( 加法器, 随同 du/dt 反相, 驱动函数 COS I0 t 也必须反相以取消在加法器中的反相. 连结 3 个 信号进加法器的输入电阻产生了公式(3.13)里的加权因子,因此加法器的输出表达了公式 (3.13)的右边.我们因此连结输出到我们的 输入 d2u/dt2 以满足公式(3.12). 观察这个解 决 Eq(3.12)的方法,我们仅仅在 t = 0 打开开关.