运算放大器的参数选择.docx
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运算放大器的参数选择
运算放大器的参数指标
1.开环电压增益Avd
开环电压增益(差模增益)为运算放大器处于开环状态下,对小于200Hz的交流输入信号的放大倍数,即输出电压与输入差模电压之比。
它一般为104~106,因此它在电路分析时可以认为无穷大。
2.闭环增益AF
闭环增益是运算放大器闭环应用时的电压放大倍数,其大小与放大电路的形式有关,与放大器本身的参数几乎无关,只取决于输入电组和反馈电阻值的大小。
反相比例放大器,其增益为
AF=-
3.共模增益Avc和共模抑制比
当两个输入端同时加上频率小于200Hz的电压信号Vic时,在理想情况下,其输出电压应为零。
但由于实际上内部电路失配而输出电压不为零。
此时输出电压和输入电压之比成为共模增益Avc。
共模抑制比Kcmr=
,
通常以对数关系表示:
Kcmr=20log
共模抑制比一般在80~120Db范围内,它是衡量放大器对共模信号抑制能力高低的重要指标。
这不仅是因为许多应用电路中要求抑制输入信号中夹带的共模干扰,而且因为信号从同相端输入时,其两个输入端将出现较大的共模信号而产生较大的运算误差。
4.输入失调电压
在常温(25℃)下当输入电压为零时,其输出电压不为零。
此时将其折算到输入端的电压称为输入失调电压。
它一般为±(0.2~15)mV。
这就是说,要使放大器输出电压为零,就必须在输入端加上能抵消Vio的差值输入电压。
5.输入偏置电流
在常温(25℃)下输入信号为零(两个输入端均接地)时,两个输入端的基极偏置电流的平均值称为输入偏置电流,即
IIB=
(IIB-+IIB+)
它一般在10nA~1uA的范围内,随温度的升高而下降,是反映放大器动态输入电阻大小的重要参数。
6.输入失调电流IIO
输入失调电流可表示为
IIO=︱IIB--IIB+∣
在双极晶体管输入级运算放大器中,IIO约为(0.2~0.1)IIB-或(0.2~0.1)IIB+。
当IIO流过信号源内阻时,产生输入失调电压。
而且它也是温度的函数。
7.差模输入电阻RID
在一般应用电路中,输入阻抗是指差模输入电阻RID。
它一般为100KΩ~1MΩ,高输入阻抗运算放大器的差模输入电阻可达1013Ω。
8.温度漂移
输入失调电压、输入失调电流和输入偏置电流等参数均随温度、时间和电源等外界条件的变化而变化。
其中输入偏置电流的变化是造成放大器温度漂移的主要原因。
对于双极晶体管输入级运算放大器,输入偏置电流随温度上升而变小,数量级为nA级。
9.输出峰-峰电压
输出峰-峰电压是在电源电压和负载为额定值时,运算放大器的最大峰-峰电压。
例如uA741在±15V电源电压下工作时,其输出峰-峰电压约为±14V。
它实际上随电源电压、负载电流和工作频率的变化而变化。
10.最大输出电流IOM
运算放大器在保持输出峰-峰电压的情况下所能提供的最大输出电流用IOM表示,一般约为10~20mA。
11.开环输出电阻ROS
运算放大器在开环状态下,其输出电压变化量和输出电流变化量之比称为输出电阻。
它的大小反映运算放大器的负载能力,一般在几百欧姆的数量级。
运算放大器的基本单元
1.加法器
-Vo=
2.减法器
Vo=
如果选取电阻值满足RF/RI1=RP/RI2的关系,则输出电压Vo可简化为
Vo=
3.微分器
4.积分器
5.线性整流电路
如果将电路中的两个二极管同时反接,则变成为正极性输入电压线性整流电路。
如果不接入二极管D1,则输入信号为正时,D2截止,放大器变成开环,不能保持虚地,就不能成为整流电路。
6.绝对值电路
在线性半波整流电路的基础上,加上一级加法器,就组成了绝对值电路。
其中前级组成负极性输入电压半波整流,在RI=RF的条件下,输入电压与V1的关系为:
V1=0(当VI>0时),V1=︱VI︱(当VI<0时)
V1与VI由反相加法器求和。
当VI>0时,V1=0;
在RI2=RF1的条件下,Vo=-VI。
当VI<0时,V1=︱VI︱,由于RF1=2RI1,后级组成闭环增益为2的反相比例放大器,所以Vo=-(2V1+VI)=-︱VI︱。
这样,无论输入信号的极性如何,输出信号总为负,而且在数值上等于输入信号的绝对值。
7.比较器
开环运算放大器就是最基本的比较器。
由于开环增益Avd很大,只要VI+>VI-,输出电压就为正输出极限Vg;反之则为负输出极限Vd。
同时放大器不加补偿网络,有利于提高比较速度。
任意电平比较器:
它将输入信号与某一非零给定电压进行比较。
放大器接成加法器,给定电压和输入信号分别从经两个输入电阻输入。
忽略由输入失调电压和失调电流所产生的误差,在IF为正时,输出为负极限幅值;在IF为负时,输出为正极限幅值。
IF为零时的输入电压就是比较器的给定电压。
当改变输入电压比RI2/RI1时,对于已知给定电压,便可以改变被检测的输入电压值。
8.复合PI调节器
电梯:
对于电动状态下,电机由零速向满速的加速过程中,刚开始调节器的比例增益应该随转速增高而减小,在临界转差处达到最小值,然后随转速的增高而增大,在满速时保持最大值。
对于制动状态下,电机由满速向零速的减速过程中,调节器比例增益应该随转速的下降而减小。
这就要求调节器必须满足下述要求:
对系统动态品质起决定性作用的中频段以-20dB/十倍频程过零,且须有一定宽度,以保证系统的稳定性;截止频率应尽可能大一些,以提高系统的快速性;低频端的增益要高,以保证静态精度;高频端要衰减的快些,以提高系统抗干扰的能力。
复合PI调节器实际上由三个基本调节器组成:
固定比例增益的低频、高频端调节器和可调增益的中频段调节器。
它的参数选择以其闭环幅频特性谐振峰值(振荡指示)最小为准则,基本满足了电梯电、制动调节器的要求。
按图示参数,高、中、低频端的比例增益分别为3.3、10~1000、51;高、中、低频段的积分时间常数分别为3.3ms、470ms、2.4s。
由此可见,在加、减速过程中,主要是中、低频段调节器起作用、调节中频段的比例增益和积分时间常数,以适应不同系统的要求,同时减少发生机械谐振的可能性。
在满速运行过程,中、低频段调节器接近开环状态,主要是高频段起调节作用,以降低系统的干扰影响。
显然,复合PI调节器属于定PI参数调节,仍然不能完全适应调速系统的动态特性要求,只有在数字控制方式中才有可能实现变PI参数调节。
9.直流反相放大器
一般增益系数不宜太大,|Kc|<100~200,当需要增益很高时,可采用多级串联方式
反馈电阻:
3K 输入电阻: Rr=Rf/Kc 倘若考虑与前级匹配选取较大的Rr,且需要的增益|Kc|亦较大,造成反馈电阻Rf超过2000K选用改进型反相放大器 10.改进型反相放大器 Rf=Rf1{2+Rf1/(RrRf2)} Kc=-Rf1{2/Rr+Rf1/(RrRf2)} 只要2Rf1满足上述范围(3~200K),并适当选取Rf2,仍可使等效反馈电阻Rf较大。 11.直流同相放大器 用作阻抗匹配的运算放大器参数选择计算 在伺服系统中,为了适应不同信号源,要求运算放大器有很高的输入阻抗,采用同相放大器来实现阻抗匹配。 参见: 现代直流伺服控制技术及其系统设计秦继荣沈安俊编著 机械工业出版社 12.PI(比例—积分)调节器 电容C不宜过大,也不宜太小,一般取1uF左右。 R2与C的位置不能颠倒,即C必须接在输出端,R2接在反相端。 R2与C的位置若颠倒了,则C相当于并联在输入端,形成较大的寄生惯性环节,其传递函数将改变。 13.PI(比例—积分)调节器 可见,调节R3的阻值,可以改变时间常数T(T=CR2R3/(R2+R3),而不影响比例系数。 14.反相型PD(比例—微分)调节器(常用作超前补偿) 15.同相型PD(比例—微分)调节器(常用作超前补偿) 16.主回路晶闸管容量的选择 主回路电动组采用三相全波星性连接调压电路,而制动组采用半控桥式整流电路。 正确地选择晶闸管的额定电流(通态平均电流)和额定电压在保证装置可靠性运行的前提下,可以降低成本。 此外,还必须对晶闸管采取适当的保护,才能保证可靠运行。 1)电动组晶闸管容量的选择 由于调压电路在交流电动机这种电阻—电感性负载下工作,负载上的电流有效值不仅取决于控制角ɑ,而且与负载阻抗角有关。 同时控制角ɑ不能小于负载阻抗角,否则系统工作在不可控制状态下。 因为在全速度范围内进行调速,负载阻抗角和功率因数也随之改变,即cos为最小值时电流有效值为最大。 下面按YTTD225L-4/16-18.5KW/3.9KW交流调速电机参数计算选择晶闸管的额定电流。 (对于三相电阻—电感负载,分析过程更加复杂。 因为在控制角ɑ大于阻抗角时,电流波形是断续的,并随阻抗角的变化而变化。 只有控制角ɑ等于阻抗角时,导电角等于180°,电流波形是连续的,但负载上所得的电压是不可调的最大值。 由于晶闸管不是理想元件,它并不是在零电流时关断,而是在一个很小的反电流下才关断,所以每隔60°晶闸管关断瞬间,储存在负载电路电感中的能量,将消耗在由电感和用来限制晶闸管电压变化率的阻容吸收回路中。 因此引起电压波形有缺口与电流波形有振荡现象。 这种现象必然产生谐波电流。 ) 根据式(4-6),流过晶闸管的负载电流有效值为: IKZ=2I0I 式中,I0=U1/Z。 U1=220V,关键是求出全速度范围内Z的变化范围,从而求出最大负载电流有效值。 根据式(4-5)计算机求解过程的分析,电机转速在0~1380r/min之间变化时,可求出转差率S变化范围为1~0.06,负载阻抗角变化范围为49.18°~6.46°,功率因数cos变化范围为0.64~0.99,电机每相阻抗值Z变化范围为1.40~10.35。 因此I0变化范围为157~21A。 对应全导通时,I 为0.5,由此可见,无论在启动瞬间、加速、满速、减速运行过程,流过晶闸管最大负载电流的有效值为157A。 此时对应全导通状态,负载电流为连续正弦波,流过每个晶闸管的电流为正弦半波,其电流有效值为负载电流有效值的0.707。 因此流过晶闸管最大电流有效值为 IMAX﹦157×0.707﹦111(A) 对于正弦半波的电流波形,电流有效值和平均值的比值为1.57,那么晶闸管的通态平均电流最大值为 ITMAX﹦ ﹦ ﹦71(A) 由于晶闸管过载能力较差,选择容量时应留有一定的安全裕量,因此选择通态平均电流为100A的晶闸管是合理的,其过载能力达1.4倍。 晶闸管额定电压UTN应根据它实际承受的最大峰值电压UM乘上(2~3)倍的安全裕量来确定。 UTN﹦(2~3)UM﹦(2~3) ×220﹦622~933(V) 因此选用晶闸管额定电压为1200V,过载安全系数为3.86。 2)制动组晶闸管容量的选择 制动组采用单相半控桥式整流电路,制动绕组参数如下: 每相定子电阻r1=1.44;每相转子等效电阻r’1=1.297;每相短路电抗xk=4.738。 它与电动绕组分析相似,差转率S变化范围为1~0.06,电机每相阻抗值Z变化范围为5.47~23.5。 在晶闸管全导通状态下,最大负载电流有效值为 I0﹦ ﹦ ﹦70~16(A) 晶闸管电流为正弦半波,其有效值和平均值的比值为1.11,则负载电流平均值为63~14A。 对应整流用晶闸管的通态电流最大值为31.5A。 选用通态平均电流为100A的晶闸管具有3倍以上的过载能力。 晶闸管承受最大峰值电压为 UM﹦ ×380﹦537(V) 选用晶闸管额定电压为1200V,过载安全系数为2.23。 3)选用变频器容量的原则: 变频器的功率=1.3×曳引机功率 4) 17.
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