变频器维修-工控

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                                                                                   旷野之雪

                                                                                   2008.5.16



运放原理新解之三
旷野之雪 发表于:2016/11/15 8:16:59
标签(TAG):变频器故障检修

运放原理新解之三

——听咸老师说电子电路系列之一

加法器 减法器

在电压跟随器、同相放大器、反相器、反相放大器、反相衰减器等5种基本电路之外,尚有加法器、差分放大器、精密半波整流电路、积分电路、微分电路等常用运放电路,在本文内再做进一步简要介绍,其中,加法器、差分放大器和精密半波整流电路应用极为广泛。

1、加法器

(1)同相加法器

同相加法器电路,是指一路以上输入信号进入同相输入端,输出结果为多路信号相加之和。如图1-11中的a电路,当R1=R2,R3=R4时,其输出电压=IN1+IN2,即构成加法器电路。若R3>R4,则构成加法放大器电路。

图1-11同相加法器和原理等效图

  图1-11中的b部分给出3种信号输入情况下的3种输出结果示意电路。同运放的5种基本电路有所不同,该电路可等效为R1/R2;R3/R4两组电阻串联分压电路,其中R1/R2为信号输入回路;R3/R4为反馈回路,有“相互关联”的关系:前者为主,后者为从,后者分压是前者分压的影射。根据如图1-11中的a电路放大模式,可用上图b电路中的(1)电路进行简化分析:

由放大器“虚短”特性可知,a、b点即两个串联支路分压点的电压值是相等的(这由此产生两组独立分压电路的关联性),当a点电压变化时,b点电压也随之相应变化(运放内部输出级电路自动调整的结果),OUT输出端的结果自然满足R3/R4的分压特性——放大器自动调整使b点电压=a点电压。因而,当IN1=IN2=1V时,R1/R2分压电路无输入电流流通条件,R1、R2分压回路因无电流流通,R1(或R2)两端无电压降,此时a、b点电压俱为1V,而OUT端则为2V(换言之,为了使b=1V,OUT端自动输出2V)。从控制闭环的角度来看, a点信号输入电压为目标值,电路控制的任务和目的,使输出级做出相应动作控制,即使b点反馈电压值等于a点电压。

上图b电路中的(2)电路:当IN1+IN2之和等于1V时,R1、R2分压点为0.5V,因R1、R2与R3、R4两分压支路的影射作用,此时a、b点电压俱为0.5V,OUT端输出1V;上图b电路中的(3)电路:当IN1+IN2之和等于-2V时,自然OUT端也会自动输出-2V,电路忠实地将输入信号进行加运算后输出其相加之和。

(2)反相加法器

反相加法器电路,又称为反相求和电路,是指一路以上输入信号进入反相输入端,输出结果为多路信号相加之绝对值(电压极性相反)。如图1-12中的a电路,当R1=R2=R3=R4时,其输出电压=IN1+IN2+IN3的绝对值,即构成反相加法器电路。当R4>R1时,电路兼有信号放大作用。

图1-12反相加法器和原理等效图

反相加法器的基本电路结构为反相放大器,由其“虚地”特性可知,两输入端俱为0V地电位。这就决定了电路的控制目的,是使反相输入端电位为0V(同相输入端目标值为0V)。以上图a电路电路参数和输入信号值为例进行分析,则可得出如上图b所示的等效图。反相加法器的偏置电路总体上仍为串联分压的电路形式,但输入回路中又涉及了电阻并联分流的电路原理,可列等式:IR4=IR1+IR2+IR3。反相加法器的“机密”由此得以披露。

   由于反相输入端为地电位0V,因而当输入信号IN3=0V时该支路无信号电流产生,相当于没有信号输入,由此变为IN1+IN2=-OUT。当IR1(1V/10k)=0.1mA,IR2(1V/10k)=0.1mA,此时只有当OUT输出为-2V时,才满足IR4=IR1+IR2的条件。

若将原理等效图进一步化简(见图1-12中的c电路),一个非常熟悉的身影便会映入我们的脑海:这不就是反相放大器电路吗?是的,没错,反相求和(反相加法器)电路,就是反相(含放大和衰减)器啊。

实际应用中,因同相加法器存在明显缺陷,因输入阻抗极高,信号输入电流只能经多个IN端自成回路(会造成输入信号电压相互牵涉而变化导致较大的运算误差),除非各种IN信号源内阻非常小,才不会影响计算精度。因而应用较少。反相求和电路因其“虚地”特性,输入阻抗极低,使各路信号输入电流以“汇流模式”进入输入端,不会造成各输入信号之间的电流流动,故能保障运算精度,应用较多。

2、差分放大器(亦名减法器)

虽然运放电路为典型的双端输入、单端输出的三端器件,但上文所述多为单端应用(即一端用于信号输入,一端接地),由此可以看出任一信号回路的两端特性,一端接地,一端即信号。就同相放大器而言,信号输入同相端,反相器必有接地回路;就反相放大器而言,信号从反相输入端进入,则同相端即为接地端。由接地回路的不同,甚至也可以判断放大器类型为同相放大器亦或反相放大器。

如果有两路输入信号,分别从两个输入端同时输入,即双端输入,单端输出的工作模式,即为差分放大器(亦名减法器)。

图1-13差分放大器的基本电路形式

差分放大器,据从输入、输出方式的不同,可分为双端输入、双端输出;双端输入、单端输出;单端输入、双端输出,单端输入、单端输出等多种电路形式,其中就运放器件电路构成的差分放大器而言,双端输入、单端输出的电路形式应用广泛。

差分放大器的电路优点:放大差模信号抑制共模信号,在抗干扰性能上有“过人之处”,这与其电路结构是分不开的。可以用两只三极管电路搭建一个如图1-13中的a电路,说明差分放大器的电路特性。

(1)对单电源供电的放大器电路,其输出端(即Q1\Q2的C极)静态工作点为1/2Vcc最为适宜,能保障其最大动态输出范围。只要RC1、RB1等偏置元件取值合适,则可使UC1、UC2的静态电压为2.5V,即静态差分输出电压2.5V-2.5V=0V;

(2)电路设计尽可能使Q1、Q2的静态工作参数一致,二者构成“镜像”电路,RE为电流负反馈电阻,其直流电阻小,动态电阻极大(流过的电流近乎恒定),以提升电路的差分性能。

(3)当IN+=IN-时,或者二者信号电压同步升降时,OUT+、OUT-端电压也在同步升降,且升、降幅度相等,其输差分输出值仍会为0V。如二路输入信号在静态基础上产生了Q1、Q2基极电流的同样增量,则集电极电压会产生下降,如由2.5V降低为1.5V时,则UC1-UC2=1.5V-1.5V=0V,这说明电路对共模输入信号不予理会,具备优良的抗干扰性能。

众所周知,RS485通讯电路,就是利用差分总线传输方式,产生了强有力的抗干扰效果。

(4)当IN+、IN-输入信号在静态基础上有相对变化,即IN+-IN-≠0时,如IN+输入电压往正方向变化时,OUT-会往负方向变化(同时OUT+会往正方向变化),使得两个输出端反向偏离2.5V产生了信号输出。当OUT-为1.5V,OUT+为3.5V时,此时使产生了2V的信号电压输出。

说明电路对差模信号进行了有效放大。差分放大器是有选择性的放大器,忽略共模干扰,放大有用信号。

图1-13中的b电路,是用运放器件构成的差分放大器。图中明显看到,无论输入信号是2.5V或5V,只要IN1=IN2,OUT端即是0V。从此角度和意义上来讲,当差分放大器的偏置元件R1=R3,R2=R4时,并且IN1=IN2时,其输出端是“虚地”的。

双端输入、单端输出差分放器的输出端为何会呈现“虚地”特性呢?

图1-14 差分放大器工作状态图

上图a电路,是输入信号IN1=IN2的状态。

(1)因输入端的“虚断”特性,同相输入端为高阻态,其输入电压值仅仅取决于R1、R2分压值,为2V。同相输入端的2V电压可以看作成为输入端比较基准电压;

(2)因两输入端的“虚短”特性,可进而推知其反相输入端,即R3、R4串联分压电路,其b点=a点=2V。这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压;

(3)由R1=R3,R2=R4条件可知,放大器输出端只有处于“虚地”状态,即输出端为0V,才能满足b点=a点=2V,这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。

上图b中的(1)电路,是IN1>IN2的状态。

(1)此时因同相输入端电压高于反相输入端,输出端电压往正方向变化,其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示;

(2)由R3、R4的阻值比例可知,R3两端电压降为(2.8V-1.5V)/10k,则R4两端电压降为1.3V×4=5.2V,输出端电压为2.8V+5.2V=8V。

(4)此时的输入电压差为IN1-IN=2V,输出电压为8V。显然,该差分放大器的差分电压放大倍数=R4/R3  是4倍压差分放大器。由此可以推知差分放大器的差分输入放大倍数为 (1N1-IN2) ×R4/R3 =-OUT

上图b中的(2)电路,是IN1<IN2的状态。

此时因反同相输入端电压高于同相输入端,输出端电压往负方向变化,其R3、R4偏置电路中的电流方向如图所示。同样,依R3、R4的阻值比例可推知,在此输入条件下,输出端电压为-8V,电路依然将输入差分信号放大了4倍。

从电路的工作(故障)状态判断来说,直接测量R3、R4串联电路的分压状态,只要R3、R4串联分压是成立的,则电路就大致上(起码运放芯片)就是好的;电路的电压放大倍数也由此得出;只要测量输入电压差(R1、R3左端电压差),再测量输出端电压进行比较,则外围偏置电路的好坏,也会得出明确的结论。

检修模拟电路,就变得直捷有效,有据可依,有章可循了。

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咸庆信

2016年11月15日


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