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运算放大器的应用

第五章运算放大器的应用

学习目标

运算放大器在电子线路中的应用非常广泛,因此尽管它本来是一个集成电路,但却被当做一个常用的电子元件来使用。

掌握了运算放大器的使用可以使我们非常方便地设计各种各样的控制电路和其他电路,这一点在完成本章的制作后大家就可以体会到了,以至于在今后,可能读者在希望做一个什么样的电路时,不再使用三极管,而直接采用运算放大器了。

1、掌握运算放大器的基本结构和性能,通过深入理解运算放大器的两个基本特性,分析理解它的各种独特的性能,达到举一反三的目的。

2、通过制作,掌握运算放大器作电压比较器的应用。

3、通过制作,掌握运算放大器作减法器的应用,并了解运算放大器的运算功能。

第一节运算放大器的工作原理

运算放大器具有两个输入端和一个输出端,如图5-1所示,其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”(而不能叫做正端),另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”(同样也不能叫做负端),如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号,则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号:

输出端输出的信号与同相输人端的信号同相,而与反相输入端的信号反相。

图5-1运算放大器的电路符号

运算放大器所接的电源可以是单电源的,也可以是双电源的,如图5-2所示。

运算放大器有一些非常有意思的特性,灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途,总的来说,这些特性可以综合为两条:

1、运算放大器的放大倍数为无穷大。

2、运算放大器的输入电阻为无穷大,输出电阻为零。

图5-2运算放大器可接的两种电源

现在我们来简单地看看由于上面的两个特性可以得到一些什么样的结论。

首先,运算放大器的放大倍数为无穷大,所以只要它的输人端的输人电压不为零,输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压(本来应该是无穷高的输出电压,但受到电源电压的限制)。

准确地说,如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高,哪怕只高极小的一点,运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之,如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高,运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源,则输出电压为零)。

其次,由于放大倍数为无穷大,所以不能将运算放大器直接用来做放大器用,必须要将输出的信号反馈到反相输入端(称为负反馈)来降低它的放大倍数。

如图5-3中左图所示,Rf的作用就是将输出的信号返回到运算放大器的反相输入端,由于反相输入端与输出的电压是相反的,所以会减小电路的放大倍数,是一个负反馈电路,电阻Rf也叫做负反馈电阻。

图5-3运算放大器的反馈电阻接法(左:

反相接法;右:

同相接法)

还有,由于运算放大器的输入电阻为无穷大,所以运算放大器的输入端是没有电流输入的——它只接受电压。

同样,如果我们想象在运算放大器的同相输入端与反相输入端之间是一只无穷大的电阻,那么加在这个电阻两端的电压是不能形成电流的,没有电流,根据欧姆定律,电阻两端就不会有电压,所以我们又可以认为在运算放大器的两个输人端电压是相同的(电压在这种情况就有点像用导线将两个输入端短路,所以我们又将这种现象叫做“虚短”)。

在下面的制作中,我们还会遇到更多的运算放大器的特殊问题,我们都将用上面的两个特性来进行分析。

第二节电冰箱保护器

上面我们说过,由于运算放大器的放大倍数为无穷大,所以它的同相输入端与反相输入端之间的电压谁高谁低可以从它的输出电压看出来,于是我们可以通过监视输出电压是一个什么电压来判断两个电压的高低——只要将这两个电压接在运算放大器的两个输入端即可。

而这对于保护电冰箱有什么作用呢?

让我来告诉你,这对于保护电冰箱的压缩机有非常重要的作用。

电冰箱的制冷作用是靠压缩机的工作来实现的,压缩机里面有一个电动机,由于这个电动机是使用交流电的,因此它有一个非常不好的缺点:

启动的力量很小(但它在正常转动时,力量是非常大的),所以压缩机如果将制冷剂已经压缩到足够高的压力时,突然由于停电或其他原因导致电动机停止,这时候是不能让压缩机通电的,因为这时压缩机在高压下无法启动,而不能转动的电动机如果通上电流,是很容易造成电动机烧毁的。

所以对于电冰箱而言,停电后马上来电是非常危险的。

于是我们可以做一个装置,使得在停电后重新来电时先切断电冰箱的电源,经过一段时间(一般5分钟就足够了)让压缩机中的压力降下来后再接通,就可以避免压缩机被烧毁了。

但停电只是压缩机停止工作的一个原因,如果市电的电压太低,也会产生同样的结果,而如果市电的电压太高,压缩机也会有危险,所以我们的保护工作还需要对供电电源的电压进行监视,一旦有异常情况就需要立即将电冰箱断电。

经过上面的分析,我们的电冰箱保护器需要有以下的功能:

供电电压过高或过低时要切断电冰箱的电源:

在所有切断了电冰箱电源的情况下要重新通电必须要延时5分钟。

下面我们分几个步骤来设计满足上面功能要求的电冰箱保护器电路。

1.供电电压监视器

这个电路的任务是监视市电电压,如果过高或过低就输出一个相应的电压信号。

电路如图5-4所示:

首先用—个变压器将市电进行降压和整流滤波,因为220V的电压是不方便的,而放大器用降下来的电压仍然会随着市电电压的升高而升高,降低而降低。

经过变压器和整流滤波的直流电压分为两路,一路作为样本电压用于监视,另一路用于给电路提供电源。

这里使用了两个运算放大器,一个用于监视电压是否过高(IC1),另一个用于监视电压是否过低(1C2)。

原理很简单,用三端稳压集成块提供一个电压稳定的基准电压,再用电阻分压得到一个高的和一个低的比较用基准电压(R3、W1,和W2)。

将高基准电压接在监视过高电压的运算放大器IC1的反相输入端,而经过R1和R2分压得到的样本电压则加在运算放大器的同相输入端,于是当市电电压过高时,IC1会输出—个高电压。

在监视低电压的IC2上,接法与比IC1相似,但同相输入端接低基准电压,而反相输入端则接样本电压,于是当市电电压过低时,IC2也会输出一个高电压。

于是,如果两个运算放大器都输出低电压,说明一切正常,而当其中某个运算放大器输出高电压时——只要有一个高电压——就说明需要切断压缩机的电源了。

图5-4电源电路和电压取样监视电路

2.识别电路

图5-5或门电路

上面的电路送出的是两个电压信号,而需要送到控制电路去的信号最好只有一个,即用于表示正常和不正常的信号就行了,因此有必要对监视电路过来的两个电压进行综合,为了让任何一个高电压都进入下一级电路,可以使用两个二极管,如图5-5所示。

如果A、B两端都是低电压,则由于电阻R4的存在,C端的电压会为零(R4叫做下拉电阻),但只要A和B两端的任意一端为高电压,这个高电压就会经过相应的二极管将C端的电压抬高,同时让另一只二极管截止,于是监视电路的两个电压A和B在经过这个电路后就会变成一个电压:

低电压为市电电压正常,高电压则表示市电电压不正常(过高或过低),需要进行有关保护的动作。

由于是A或B有高电压时,C就有高电压,所以这个电路我们又将它叫做或门,在这里我们是用二极管来实现或门功能的,在更多的地方我们是用集成电路来实现这个功能的(专门的或门电路)。

3.延时器

这个延时器应该只对一种情况进行延时,即对重新接通压缩机的电源时延时,而对于需要切断压缩机的电源时是不能延时的,否则就不能及时保护压缩机了。

延时器我们也可以使用运算放大器,如图5-6所示,只有当电容C2中的电压充到比电源经R6和R7分压的电压VM更高时,运算放大器的输出端E才会输出一个高电压,而D端的电压经R5对C2充电是需要一个时间的,只要我们能让市电在恢复正常后立即在D端有一个高电压,这个电压就可以对电容C2充电而产生延时,延时的时间则可以通过调节R5和C2来满足要求(即5分钟的延时量)。

但是,D端电压变成低电压时,电路是不能延时的,而由于这个电路中的电容C2上有很高的电压需要放掉,就不能满足这里不延时的要求。

如何让电路只对一种情况延时而对另一种情况不延时呢?

我们可以在电容的充电电路上增加一只二极管,如图5-7所示的D3,有了这个二极管后,当D端变为低电压时,C2上的高电压会使二极管截止而不能加在运算放大器的输入端,于是D端的低电压就会使电路迅速反应,不经过延时就降下E端的电压,继电器断开,压缩机的电源被立即切断。

图5-6电容充电定时电路图5-7增加了二极管的延时电路

问题已经解决完了么?

先动脑筋想一想,然后再继续下面的学习。

问题还没有解决!

这里有一个小问题,电容C2的充电电路是不错的,但却没有放电电路:

只能对C2充电而不能放电!

这有什么不妥吗?

当然有:

如果停电只是一个极短的时间,停电时D点的电压变成了低电压,但电容C2上仍然是高电压,再次来电时,D又会变成高电压,但它却不再对C2充电了(因为C2上的电荷是充满了的),于是这个高电压会立即送到运算放大器的输入端,而没有了我们非常需要的延时了!

所以必须在D端变成低电压时迅速将C2上的电压放掉,这个放电电路如图5-8所示,由一只PNP型三极管BG1和电阻R10组成:

当D端电压为低电压时,BG1的基极就会通过电阻R10得到这个低电压而迅速导通,C2上的电压就会在一瞬间里被放掉。

于是上面不延时的问题就解决了。

图5-8延时电路图5-9反相电路

在市电供电正常时,识别电路的C点会得到一个低电压,而延时器的D端又需要一个高电压,这就需要一个将高、低电压进行反相变换的电路:

即将高电压变成低电压,将低电压变成高电压,为了完成这个功能,我们可以再使用一个运算放大器,如图5-9所示,工作原理请读者自己分析。

4.继电器驱动电路

接通或切断压缩机的电源可以使用一只继电器,继电器是一种常用的电子元件,它是在一个铁芯的外面绕上一组线圈,当线圈通上电流时,铁芯便成为一个磁铁,将它上面的杠杆开关吸下,于是导致开关的开或关(开关有常开触点和常闭触点,常开触点在线圈通电时闭合,而常闭触点在通电时断开)。

继电器的外壳上标有线圈所需的电压和开关所能承受的电流和电压,在这里线圈电压应选择9V或7.5V,开关应能承受250V交流电压和3A以上的电流。

为了保证在停电的情况下继电器对压缩机的开关是断开的,我们应选用常开开关的继电器,于是我们现在的任务是要设计一个电路,使之在C点电压为高电压时断掉继电器J线圈的电流,而在C点变成低电压时,经过一个延时再接通继电器线圈的电流。

要让继电器吸合或放开触点开关,需要有足够的电流才行,而运算放大器的输出电流是不能满足要求的,这就需要一个驱动电路,用一只中功率的三极管就能满足要求,如图5-10所示。

图5-10继电器驱动电路

在电路中,与继电器并联还有一只二极管D4,它的作用是什么呢?

我们知道,继电器里的线圈实际上也是电感,而电感里的电流是不能突变的。

也就是说,如果没有这只二极管,当三极管从导通变为截止时,电感中的电流就不知该怎样放掉了,于是电感会提高电压来打通通路,首当其冲受害的便是三极管了。

但有了二极管后就不同了,电感中的电流可以通过二极管来放掉,于是三极管就安全了。

5.总电路的组装

所有的问题都得到了解决,现在将这些单元电路组合起采,总的电路原理如图5-11所示,印刷电路板图如图5-12所示。

我们在这个电路中总共使用了四个运算放大器,完成了电压比较、反相、延时等功能。

而我们正好有这样一只价廉物美的集成运放块:

LM324,这个集成电

图5-11电冰箱保护电路

图5-12电冰箱保护电路印制版图

路中含有四个独立的运算放大器,正好够我们使用。

图5-13LM324

LM324是一只14脚的运算放大器集成电路,其外形和内部组成如图5-13所示。

6.调试

这个电路在调试时,需要使用一台交流调压器,将电路的变压器接在调压器的输出端,首先将电压调到230V,用万用表交流档进行确认。

然后再将万用表拨到直流10V电压档后监视电路中A点的电压,再细致地调节W1,调到使A点的电压刚好变化时就不要再动它了,然后再调节调压器,这时调压器的输出电压应该是刚刚超过230V时,A点就由低电压跳到高电压,如果不准确就还需要进一步调节W1。

然后将调压器的输出电压调节到200V,再用上面的方法对W2进行调节,调节的结果应该是当调压器的输出电压刚刚低于200V时,B点的电压跳变到高电压。

这一步调试完成后,可以再用调压器模拟市电的变化,看看市电从正常到不正常时,继电器会不会立即断开,再看看市电恢复正常时,继电器会不会经过5分钟的延时才接通,如果全部都正常了,这个电路就可以投入使用了。

7.其他功能的增加

这个电路的功能是没有什么问题了,但美中不足的是没有指示灯,给使用带来很多不便,正好运算放大器的输出端可以输出一定的电流,我们只需要在电路中找到相应的点,将一只发光二极管串联一只限流电阻加到电路中就可以了。

图5-14各种指示灯的添加

如图5-14所示,电源指示灯可以直接加在三端稳压集成块的输出端;指示市电电压正常与否的指示灯可以加在D点,而用于指示压缩机电源是否接通的指示灯则可以并联在继电器上。

由于电路中的高电压均为9V,发光二极管要消耗2V的电压和10mA的电流,所以串联的限流电阻需要用(9V-2V)/10mA=700Ω的电阻,可选用650~750Ω的1/8W的电阻。

在电路最后完成后,可以为它做一个外壳,将它放进去,然后再为它设计一个面板,在适当的位置钻上小孔,让做指示灯的发光二极管的头伸出来,一件可以进入市场的电冰箱保护器就大功告成了。

第三节卡拉0K消声电路

立体声音乐是通过两个声道(一个左声道,一个右声道)来制造一个立体声的环境,让我们能感觉乐队的鼓手在什么地方,小号手在什么地方。

之所以能有这样的功能是因为在两个声道发出的声音有区别,如果在左边的喇叭发出比较强烈的鼓声而右边较弱,我们就会感觉到鼓手是在乐队的左边,如果歌手的声音在左边的喇叭发出的声音与右边的喇叭发出的声音是一样的,我们则会感觉到歌手是站在场地的中央唱歌的。

现在的磁带、CD或VCD有两种,一是专用于卡拉OK的,这种磁带或唱片是在一个声道录上纯粹的伴奏音乐,而另一个声道则录上单一的歌声,这样在需要消除歌声的时候,只需要关掉录歌声的那个声道就可以了。

但是对于不是用于卡拉OK的磁带或唱片,在录音的时候就没有将伴奏音乐和歌声分开,这时就用得着我们下面要制作的电路了。

一般来说,在磁带或唱片中,歌手总是在场地的中央唱歌的,上面我们才说过,这种情况下左声道和右声道的声音是相同的,而伴奏的音乐则不然,它们大部分是位于两边的,利用声音在左右声道中的这种特点,我们可以想办法将两个声道中相同的声音去除掉,达到消除人声的目的。

要将相同的声音去除掉,可以使用左声道的声音减去右声道的声音,这就需要做一个具有减法功能的电路来进行这项工作。

运算放大器既然戴有“运算”这个头衔,想必应具有减法运算的功能吧。

其实减法运算对于运算放大器而言是再简单不过了。

运算放大器有同相输入端和反相输入端,如果在两个输入端都辅人信号,由于两个信号会在输出端得到相反的极性处理,自然就会相互抵消,起的作用就是—个地地道道的减法运算。

使用一个运算放大器,将一个声道的信号从它的同相输入端输入,而另一个信号从它的反相输入端输入,这样就可以完成一个减法运算了,所以,—个单纯的卡拉OK消歌声电路是非常简单的,电路如图5—15所示。

如果我们真的将这个电路装出来,你会发现由它放出来的音乐音质变差了,从原理上来说,这个变差是不可避免的,因为减法的作用便是要去除掉一些东西:

歌声是需要除去的,但同时也除去了一些音乐的声音。

图5-15卡拉OK消歌声电路

让我们来分析一下这些被除去的音乐声有哪些,作为歌曲,特别是流行歌曲,它们的乐器声大都是通过合成而得到的,一般来说,将它们合成到立体声的中央是很少的,也就是说,通过减法器来消歌声应该对它们的减损是不大的,但是在这些音乐声中的低音由于频率较低,波长较长,两边的声音相位相差很小,于是对于这些低音而言,减法器就会对它们造成严重损失,如果消歌声电路能只对中音和高音起作用,而不对低音起作用,最后出来的音质就会好得多。

要想避免将低音损失掉,一个办法是在上面的减法器电路外另加一条专门通过低音的通路,这个通路由—个低通放大器组成,所谓低通的意思是只能通过低音信号,而不能通过中音和高音信号。

低通电路可以在通路上用适当大小的电容对地联接而得,这样频率高的信号就会通过电容到地,而不能传输到下一级电路中,在这里我们用了一个π型电路,如图5-16所示,它是一种性能较好的低通电路。

图5-16π型低通电路图5-17电路方框图

于是,在电路中,只需要用一个低通电路,让低音信号不经过减法器直接到达减法器的输出端,再用一个加法器将这个直通的低音信号与从减法器中出来的消了歌声的信号进行混合,就可以得到一个音质好得多的卡拉OK的伴奏音乐了,它的原理如图5-17所示。

在电路中,除减法器用运算放大器外,加法器、低通电路中都可用到,在使用运算放大器时,某些电路还可以稍加改动,使之性能更加出色,电路原理和印制板图分别如图5-18和5-19所示。

图5-18卡拉OK消歌声电路

图5-19卡拉OK消歌声电路印制版图

附录1电容降压稳压电源

电容降压是利用电容的容抗进行降压。

电容降压稳压电源的整流电路可分为半波和全波两种。

1、电容降压半波整流稳压电源

图1电容降压半波整流稳压电路

电路如图1(a)、(b)所示。

图(a)电路中,C1为降压电容,C2为滤波电容。

VDl、VD2为整流二极管。

VD3为稳压二极管。

当输入交流电压Ui正半周时,电源通过C1和VDl向C2充电,并由VD3稳压。

当输入交流电压负半周时,电源通过VD2向Cl反充电,以保证下一次电源正半周到来时,电源能够通过C1、VDl向C2充电。

图(b)电路中,省去一个二极管,而稳压二极管VD2起双重作用,在电源正半周时起稳压作用,负半周时,电源通过VD2(正向)向Cl反充电。

可见,图(b)比图(a)要简单些。

电容在50Hz电源中的容抗

,由于直流输出电压U0相对输入电压Ui小得多,故可忽略不计。

电源通过电容C所能提供电流为

(1)

式中I单位为A,Ui为V,C为F。

当电容为1μF时,I=69mA,即容量为lμF的电容能提供69mA的电流。

当用电电流超过69mA时,电容无法提供,输出电压将下降,且不稳定。

在右上图两个电路中,由于采用半波整流,在半周电流是通过VD2和Cl直接反回电源,故每lμF的电容只能提供34.5mA的电流。

VDl、VD2的反向耐压只要大于输出电压U0即可,其整流电流要大于电容C所能提供的电流。

半波整流稳压电路的直流稳定电源输出端与市电具有公共端,故常用于采用晶闸管来控制交流负载(如电灯、电扇及各种电器的电源开关)的遥控接收电路中。

右上图中R的作用是当电路与电源脱离后,将Cl上的电荷放掉,以免人体触及时发生触电现象,R阻值在500kΩ~lMΩ之间,不可过小。

2)电容降压全波整流稳压电路

电路如图4.72所示。

当输入交流电源电压为正半周时,电源通过C1及VDl和VD3向C2充电,当输入交流电源为负半周时,电源通过VD2和VD4向C2反充电。

VD5起稳压作用。

由于采用全波整流,电容所提供电流能够全部供给负载,故每1μF电容能提供的69mA的电流。

在上述电路中,稳压二极管的稳压值根据电路需要选定,为保证稳压管在工作过程不致因发热而损坏,稳压管的耗散功率P≥UzI,Uz为稳压管的稳定电压,I为电容所能提供的电流。

因为,当负载不索取电流时,I将全部流过稳压管,故上式中耗散功率为UzI,且要留有一定裕量。

我们知道,稳压二极管所能稳定的电流比较小,一般为几十mA,若用电电路需要较大的电流,而得不到这么大电流的稳压管时,可以采用图4.73所示的电流扩展电路。

其电流扩展原理是,当用电电流减小或为零时,输出端电压要升高,由于VD2两端电压是稳定不变的,故电阻R2上的电压要升高,三极管VT的基极电位升高,基极电流增大,从而使集电极电流增大,扩展了稳定电流。

电路的输出电压为稳压管的稳定电压与三极管的发射结压峰之和,即U0=U2十Ube≈Uz十O.7V。

改变输出电压时,只要更换不同的稳压管即可。

图2电容降压全波整流稳压电路

图3电流扩展电路

由于电容降压电路中,输入电压Ui相对输出电压U0大得多,故电流

,具有恒流特性。

因此,应用电容降压电源时要注意稳压二极管不得开路,否则输出电压将升至很高,用电电路将会损坏。

为保证电路安全,可以采用两支稳压二极管并联方式,提高可靠性,当其中一支管子由于某种原因开路或损坏(断路)时,另一支管子将继续工作。

 

附录2可控硅

可控硅又称晶闸管,是一种大功率的可控整流器件。

它的种类很多,常用的可分为单向可控硅和双向可控硅。

单向可控硅:

图1可控硅符号

单向可控硅是一种四层(P1,N1,P2,N2)三端(A,K,G)器件,A是阳极,K是阴极,G是控制极,在阳极和阴极之间形成三个PN结。

文字符号“SCR”,图形符号如图1所示。

单向可控硅的特性与普通二极管相似,也具有单向导电性,但它的正向特性在控制极不加电压时与反向特性相似。

如果在阳极加上正向电压的同时给控制极输入一个正向脉冲信号,可控硅立即由阻断状态变为导通状态。

可控硅导通之后,控制极上的电压就会失去作用,只有将阳极电压降低到某一临界值或加上反向电压,可控硅才恢复到阻断状态。

可控硅管脚的识别和鉴定:

单向可控硅的3个极可以用万用表电阻挡(R×l00)来区分。

从图1中可以看出G、K之间相当一个二极管,G为二极管正极、K为二极管负极,所以按照测二极管的方法,找出三个极中的两个极测其正反向电阻,电阻小的一次,万用表黑表笔接的是G极,红表笔接的是K极。

剩下的一个极就是A极。

然后将黑表笔接A极,红表笔接K极,使K与G瞬间短路,给G加上正触发信号,若万用表读数由无穷大变化到几十欧并维持不变,说明可控硅已导通。

双向可控硅(TRIAC):

普通双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。

也有三个电极,分别记作T1,T2,控制极(G),文字符号“TRIAC”,图形符号如图2所示。

图2双向可控硅符号

双向可控硅与单向可控硅相比,主要是能双向导通。

且不论T1和T2间电压的反向如何和G与T1,T2间触发电压的方向如何,只要满足必需的触发电流即可导通。

双向可控硅也具有去掉触发电压后仍能保持导通的特性。

只有当T1,2间电压(电流)降低到不足以维持导通,或T1,T2间电压改变极性时,又恰逢没有触发电压,可控硅才被阻断。

可控硅是一个快速无触点开关,在整流,逆变,变频,调压,开关,保护和自动控制等电路中都有广泛的运用。

双向可控硅管脚的识别和鉴定:

双向可控硅的符号见有图2,它有第一电极T1,第二电极T2,可控极G三个电极。

将万用表置R×1档测可控硅任意两个电极,若测的两个电极间的正反电阻为几十欧,而另一极与这两电极间的电阻都很大,则另一电极为T2极。

再判断T1和G极,在这两脚中先假定一个为T1,另一脚为G。

将黑表笔接T1,红表笔接T2,使T2与假定的G瞬间短路,给G加上负触发信号,若万用表读数由无穷大变化到几十欧并维持不变,说明可控硅已道通,且假定的T1和G正确,然后将黑表笔接T2,红表笔接T1,使T2与G瞬间短路,给G加上正触发信号,若万用表读数由无穷大变化到几十欧并维持不变,说明可控硅已导通。

以上测试,既区分了电极,同时也证明被测双向可控硅具有双向触发能力,如测试功力较大的可控硅,用一块万用表不易使可控硅触发导通,可在万用表外串一节1.5V电池再测试。

注意:

T1和T2不能互换使用。

从制作工艺和管芯结构来看,T1和T2时

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