1、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。有些仪器被使用仅仅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，电压表，欧姆表，连续性测试仪，兆欧表，瓦特表还有瓦特小时表。 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。这些仪表可以被校准并且设计了不同的量程，以便读出期望的数值。11安全预防 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。仪表的结构和操作的基本知识能帮助使用者按安全工作程序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
2、替使用。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最大值。不允许被测的实际数值超过仪表最大允许值的要求再强调也不过分。超过最大值对指针有伤害，有害于正确校准，并且在某种情况下能引起仪表爆炸造成对作用者的伤害。许多仪表装备了过载保护。然而，通常情况下电流大于仪表设计的限定仍然是危险的。12基本仪表的结构和操作许多仪表是根据电磁相互作用的原理动作的。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的磁极之间）。这种类型的仪
3、表专门适合于直流电。不管什么时候电流流过导体，磁力总会围绕导体形成。磁力是由在永久磁铁力的作用下起反应的电流引起。这就引起指针的移动。导体可以制成线圈，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弹簧连在仪器的端子上。这些弹簧提供了与偏差成正比的恢复力。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）与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，仪表要包含旁路或者分流器。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是10A。线圈能安全负载0。001A，那分流器必须被设计成能
4、负载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。整流器可以把交流变成直流电。整流器合并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，电测力计是另一
5、种能用于交流电的既能作安培表也能作电压表的仪器。它由两个固定线圈和一个移动线圈构成。这三个线圈通过两个螺旋型弹簧串联在一起。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移动。电测力计因为属永久磁铁型仪表，量程不是均匀分布的。作用在动线圈上的力根据流过该线圈的电流平方来变化。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。争取精确的读值是重要的。移动叶片结构是仪表的另一种类型。电流流过线圈引起两个铁片（叶片）磁化。一个叶片是可动的，另一个是固定的。在两个叶片间的磁的作用引起可动叶片扭转。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
6、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。13测量仪器的使用电压表是设计来测量电路的电压或者通过元器件的压降。电压表必须与被测量的电路或元器件并联。131压力检验计交-直流电压检验计是一种相当粗糙但对电工来说很有用的仪器。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直流电的极性。那就是说(i.e=that is)电路中的导体是阳性（正）的还是阴性（负）。电压检验计通常用来检验公共电压，识别接地导体，检查被炸毁的保险丝，区分AC和DC。电压检验计很小很坚
7、固，比一般的电压表容易携带和保存。图1。31。4描述了用电压检验计检查保险丝的用法。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直到零电压出现（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的说明书。132电压表电压表比电压检验计测量更精确。因为电压表与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，对电路特性的影响越小。仪表的灵敏度用符号O/V表示。这个数值越高仪表的质量越好。高灵敏度可使电路
8、特性的改变减到最小。电工使用的仪表精确度在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。电压表有与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，电压表能指示出这个问题。电压表也用来确定馈电线和支线电路导体的压降值。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，
9、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。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，保持正确的极性是很重要的。大多数的直流电源和仪表都用颜色标记极性。红色指示阳极，黑色指示阴极。如果电路和元件的极性未知，触一下端子的导线观察指针。如果指针犹豫着试图摆动，仪表导线连接就要颠倒一下。警告：不要让仪表连接反的极性。133安培表 安培表是用来测量电路或部分电路的电流数量的。他与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流过电路的电流
10、。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。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使用者保证读数精确。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和确定故障位置。安培表总是与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。1.3.3 欧姆表欧姆表用来测量电阻，它内装电池提供操作时需要的动力。警告：在接上欧姆表之前，必须确认电路或部件没有与常规电源相连接。将欧姆表与一个没有断开电源的电路相连可能回损坏仪表甚至导致使用者受伤。欧姆表的刻度的读取方向与其它仪表
11、相反，当仪表电流开路时，指针应当指向无穷大。可以通过调整旋纽使指针与无穷大标志对准。多数欧姆表有数个量程，量程选择开关应当置于最能为精确测量的位置（刻度）。量程一般为：r*1、r*10、r*100、r*1000。如果选择开关置于r*1，表盘显示的值即为测量值；如果选择开关置于r*100，表盘显示的值必须乘以100。1.3.3 兆欧表兆欧表，一般认为是由其商品名MEGGER而得名，是一种测量极高电阻的仪器。例如，用来测量电路导体或马达绕组绝缘体的电阻。兆欧表被设计成用来测量兆欧级的电阻；一兆欧等于一百万欧姆。一个称之为磁发电机的小型发电机被包含于兆欧表外壳之内，它为仪表提供动力，就像欧姆表中的电
12、池所起的作用。磁力发电机可以手动发电或由电池以及其它设备提供电源。兆欧表有很多不同电压档，其中最常用的设计工作于以下数值：500V、1000V、和1000V。磁力发电机产生的电压取决于被测电阻的类型和欧姆值。因为兆欧表是设计用于测量极高电阻，它们通常用于绝缘测试。肉眼观测绝缘性能和用欧姆表进行漏电测试不是非常可靠，而兆欧表测试是维修电工们最为可靠的测试方法之一。警告：在兆欧表连接到导体或电路之前，电路必须断电。绝缘测试通常是在导体与地之间进行，所以良好的接地是测试过程中至关重要的一部分。应当用兆欧表和低电阻欧姆表检测以确认接地的良好连通性。绝缘测试应当在安装期间进行，并在以后定期进行。对于额定
13、电压在600V或以下的电路和设备，可以使用1000V磁力发电机。必须对测试进行记录，包括测试日期、时间、温度、湿度和电阻值。由于大气状况会影响绝缘电阻，一段时间内可能会有很多不同的测试值，因为绝缘电阻随着温度、湿度和空气质量的不同而不同。绝缘的共同敌人是湿气、污垢、油污、和化学物质，尽可能地保持设备和导体的清洁和干燥是非常重要的。良好的保养习惯和定期的绝缘测试应该成为制度而不是偶尔为之。兆欧表的快速通常被标注为最小10000欧姆，最大200兆欧。额定工作于600V的导体的绝缘能力应当显示其绝缘电阻在600000欧姆以上。对于马达、发电机、变压器和类似额定工作于1000V或以下的设备，其最小绝缘
14、电阻必须在1兆欧以上。对于工作于额定电压在1000V以上的导线和设备来说，一个不错的计算规则是：将额定电压除以1000即得到了该设备以兆欧为单位的最小绝缘电阻。周期性的绝缘测试应当至少每两个月进行一次，绝缘电阻值随温度和空气状况的不同而不同，但是，1年到18个月的长时期内，绝缘电阻持续下降的趋势意味着存在问题，电路和设备必须接受检查。1.3.7 多用表1.3.8 功率计1.3.9 电度表电能表等于功率和时间的乘积。电表用于测量在某段时间内消耗的功率。对于直流电表，其速度正比于功率，它记录了给予用户的瓦时或千瓦时数。因为很多用户需要大量能源，标准电表被设计成以千瓦时显示。交流电表的工作原理为感应
15、原理。移动磁场产生电流流过铝制圆盘，这种电流称为涡流，它所产生的磁场于运动磁场相互作用，使得圆盘转动。旋转的圆盘驱动一个齿轮链，使指针依次显示（电功值）。电表有四个或5个刻度盘，每个刻度盘有一个指针，标刻有0到9，刻度盘读数从左到右（从右到左），从右到左刻度盘分别显示个位、十位、百位、千位和万位。如图1.11，4位刻度盘显示1238千瓦时。如果指针在两个数之间，总是读取两个数中较小的那个Chap2固体功率器件的基本原理21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。22固态功率器件
16、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。221二极管图2。1显示了一个二极管，左边部分显示的是在硅晶体中的
17、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D
18、C，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。222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
19、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，晶闸管与二极管是相似的。然而，晶闸管与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与二极管的很相似。反向电压导通时比二极管的高，通常有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
20、超过2000A，在在最大反向电压4000V超过1400A。223电子晶体管（电子管）图25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。与晶闸管比较，只有在基极有电流时，电子管没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。功率电子管与晶闸管在控制前向导通的启动时相似。它与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
21、。224门极可关断晶闸管GTO图2。6显示了GTO的原理符号。GTO与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。225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
22、于交流电机的相位控制中。23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。24功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与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，他们如何与散热器连接。241栓
23、接式螺纹部分可能是PN结的一部分，或者是与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。242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
24、，他们必须与机械底托电子绝缘。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。243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。这个底板与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
25、散热底板上。这个更大的散热底板在对面有鳍状表面。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。25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
26、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自然或电网（线电压）换流图2.8为用于将交流转换为直流的功率半导体电路，在数学上可以证明这种特殊电路可以将60Hz460V三相交流电转换为包含60Hz脉动成分的600V直流电。既然60Hz正弦交流线电压在每次正和负半周结束时都会过零，因此在线电压的每个半周结束时，功率半导体是自动（关断）换流的，这也就是自然或电网（线电压）换流。假设某一时刻图2.8电路产生的直流电压作用于一个具有反极性的电压源之上（见图2.9），且该直流电压稍高于600V，如果该半导体器件为二极管
27、，则会导致短路的发生。但是，如果这些器件是晶闸管、三极管或可关断晶闸管，由于它们除非触发，都处于关断状态，没有电路流过，所以不会有像使用二极管时的短路现象发生。因为器件将在每个半周经历一次零电压，所以如果它们在每个半周的任意时刻导通后，在每个周期结束时，交流线电压将使器件换流。这也是有电流从直流端流向交流端的自然或电网换流。图2.10所示为一种连接于交流鼠笼感应电机交流接线端的半导体功率装置，如同图2.8和图2.9，图2.10中的功率器件在将在每个交流线电压正弦波周期经历一次零电压，因此，这些器件可以是二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管，或是双向可控硅。既然二极管可以导致线路和电机短路，所以
28、二极管是多余的。对图2.10，晶闸管和双向晶闸管对于相控比较实用，因为它们可以被关断。可关断晶闸管和三极管由于其固有的关断能力不相适应，所以它们也不会用于图2.10。图2.10是另一种自然或电网换流应用的例子。 2.5.2负载换流负载换流发生于如下情形：负载具有某种特性可以导致交流电压自动为零，继而将导致器件每半个周期换流或关断一次。电机的旋转加上直流场的效果导致电机输入端正弦电压的产生。这种正弦波电压，如果连接到功率半导体器件，将提供半周一次的换流或关断，这就是负载换流，见图2.11。电路见图2.11，它不能用于交流鼠笼式感应电机，因为激励或励磁电流来源于与线电流功率部件相同的电源。可以为功
29、率半导体控制系统加装特殊电路，一旦感应电机速度达到某一值时，可以为电机提供负载换流。对于大型电机这样更为节省成本，但对于373kW/600V的电机不太多见。强制换流技术用于这类电机。 2.5.3强制换流图2.12所示为由功率半导体馈电的交流鼠笼式感应电机，依次由直流源馈电。如上所述，交流鼠笼式感应电机不能产生换流或使正弦波形转变极性，假设期望通过依次开、闭功率半导体器件以提供电机的频率调节，则强制换流必须用于器件的关闭。如果是三极管，基极信号将使其导通，基极信号的撤除将使其截止，三极管的强制换流不需要其它功率器件。对可关断可控硅，正门极脉冲使其导通，而负门极脉冲使其产生换流或关断，与三极管一样
30、，其强制换流不需要其它辅助功率器件对于前面提到的晶闸管，门电路对关断无效，必须由与阴极和阳极并联的辅助功率器件使阴极和阳极之间电流为零。典型的结构包括一个电容和一个晶闸管，如图2.13所示，当主晶闸管导通时，电容充电，主晶闸管关断的同时，辅助晶闸管同时导通，因而电容放电，强制主晶闸管阳极中的电流为零。2.6 总结紧记功率半导体器件在固态交流电机控制中使用的三种重要的选项是：（1）功率半导体器件（二极管、晶闸管、三极管和可关断晶闸管和双向可控硅）可以用于控制交流电压、交流转换为直流、直流转换为交流、和直流开关。（2）采用哪种类型的器件取决于要实现的功能和器件输入和输出侧功率电流的特性。决定很大程
31、度取决于可以使用的换流类型电网、负载、或强迫换流。（3）器件的物理特性（拴接式、冰球式、或绝缘散热式）和相关的冷却要求，在很大程度上取决于对成本的均衡考虑和控制器外壳的要求。记住这三种选项的判据和性能，让我们期待下一步器件会有最好的表现，从将它们用于固态交流电机的相控启动器开始 chap 3模拟电子 3.1介绍 3.1.1 模拟和数字电子学对照我们已经研究过三极管和二极管怎样作为开关器件用于处理以数字形式出现的信息。数字电子学中，三极管用作电子控制开关：它不是饱和就是截止。（三极管的）动态区域仅用于从一种状态过渡到另一种状态。与之相对的是，模拟电子学依赖于三极管的动态区域和其它放大器的形式。希
32、腊语词根“analog”的意思是“以一定的比例”，在这里表示信息被编码成为与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，物理上由乐器的激励和共鸣产生。辐射的声波由空气分子的有序运动组成，准确的理解为声波，它使话筒的振动膜移动，依次产生电信号。电信号的变化与声波成比例。电信号被用电子的方法放大，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记录头，并且在一个圆盘上产生起伏的沟槽。如果整个系统正常，每一次声波振动都会记录在圆盘上，并且当该记录通过类似的系统重放，信号以声能的形式从扬声器辐射出来，所产生的声音能忠实地重现原始音乐。基于模拟原理的电子系统形成了一类重要的
33、电子仪器。收音机和电视机的播放是模拟系统的典型例子，许多仪器也是模拟系统，它们的应用领域包括偏差检测（应变计量器）运动控制（测速仪）和温度测量（热电偶）。许多电子仪器电压表、电流计欧姆表、和示波器应用或至少是部分应用了模拟技术。模拟计算机在数字计算机成熟之前就已存在。在模拟计算中，用电信号模拟微分方程的未知量。用电子的方法对这些信号积分、比例运算和求和以获得方程的解，比起解析或数值求解方法要容易一些。3.1.2本章内容模拟技术广泛地使用了频域的观点，我们以将频域的概念扩展到周期性的、非周期性的、和随机信号作为开始，我们将看到大多数模拟信号和过程都可以在频域中表示。我们将介绍频谱的概念，也就是，
34、用同时存在的许多频率来表达一个信号。频域中的带宽（频谱宽度）将与时域中的信息率有关。这种对频域概念的扩展也有助于我们区别模拟器件的线性效应和非线性效应。线性电路被证明（be shown）可以滤除不需要的频率成分，与之对照的是，像二极管和三极管这样的非线性器件将产生新的频率成分。这种特性允许我们通过调频和调幅调制技术在频域中改变模拟信号，它被广泛应用于公共和私人通信系统。作为一个例子我们将讨论调幅收音的工作原理。然后我们将讨论反馈的概念，它是一种技术，通过用模拟系统增益（的损失）交换其它期望特性如线性度或带宽。没有反馈，模拟系统如音频放大器或电视机将更贵而性能更差。对反馈优点的理解是欣赏运放在模
35、拟电子学中应用的基础。运算放大器（缩写为op amps）是模拟电路的基本构成单元，正如NOR和NAND门电路为数字电路的基本单元一样。我们将给出一些最为常见的运算放大器的应用，包括它们用于模拟计算机中的例子。 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与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
36、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与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
37、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，100 K -100 M欧。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
38、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
39、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
40、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+
41、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 _ 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
42、)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 = 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，
43、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= 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
44、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 _ =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与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与输入有相同的极性：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
45、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与放大结合起来。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
46、器功能，F u(w) ,因此是二个阻抗的比率，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。把一个电容器与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=1UF (3)高通滤波器。高通滤波器被用图3.9显示，使用了一个电容器与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
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