集成运算放大电路.docx

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集成运算放大电路

第一章集成运算放大电路

第一节集成运算放大器的特点

集成运放是一种多级放大电路，性能理想的运放应该具有电压增益高、输入电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。

与此同时，在电路的选择及构成形式上又要受到集成工艺条件的严格制约。

因此，集成运放在电路设计上具有许多特点，主要有：

（1）级间采用直接耦合方式。

（2）尽可能用有源器件代替无源元件。

（3）利用对称结构改善电路性能。

集成运算放大器符号

集成运算放大器的技术指标

（1）开环差模电压放大倍数（开环增益）大:

Ao（Ad）=uo/（u+-u-）=105-107倍;

（2）共模抑制比高:

CMRR=100db以上;

（3）输入电阻大:

ri>1M,有的可达100M以上;

（4）输出电阻小:

ro=几-几十

第二节集成运算放大器的分析方法

—理想化

理想运放：

Aod=

KCMRR=

ri=

ro=0

集成运算放大器的分析方法

在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加负反馈，使运放工作于线性状态。

u+=u－（虚短）

i-=i+=0（虚断）

第三节模拟信号的放大和运算电路

1．反相比例运算放大器

平衡电阻（使输入端对地的静态电阻相等）:

RP=R1//RF

反相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：

输入电阻（小）:

ri=R1

2.同相比例运算放大器

RP=Rf//RF

3.电压跟随器

4.差动放大器

以上电路的比较归纳：

1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。

2.关于输入电阻

反相输入的输入电阻小，

同相输入的输入电阻高。

3.以上放大器均可级联,级联时放大倍数分别独立计算。

例题3.R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。

求:

uo

5.反相求和运算：

6.同相求和运算：

7.微分运算：

8.反相积分运算

第三章逻辑代数基础

•逻辑是指事物因果之间所遵循的规律。

逻辑代数是按一定逻辑规律进行运算的代数在逻辑代数中，变量的取值只有两种，即逻辑0和逻辑1，它代表事物矛盾双方的两种状态。

其等号只表示逻辑功能上的相同，而不表示数值相等。

第一节逻辑代数的三种基本运算

一、逻辑变量与逻辑函数

1、逻辑变量：

逻辑代数中的变量称为逻辑变量，一般用大写字母A、B、C、…表示，逻辑变量的取值只有两种，即逻辑0和逻辑1。

0和1称为逻辑常量。

2、逻辑函数：

若输入逻辑变量A、B、C、…的取值确定后，其输出逻辑变量F的值也被惟一地确定了，则可以称F是A、B、C、…的逻辑函数，并记为：

二、三种基本运算

1、与运算（逻辑乘）

只有当决定一事件结果的所有条件同时具备时，结果才能发生。

A、真值表：

（输入与输出的关系表格）

B、与逻辑表达式：

F=A·B

注：

符号“·”表示逻辑乘，常省去符号“·”。

C、逻辑符号：

实现与逻辑的单元电路称为与门，其逻辑符号如图所示：

2、或运算（逻辑加）

决定某一结果的所有条件中，只要有一个成立，结果就会发生。

A、真值表：

（输入与输出的关系表格）

B、或逻辑表达式：

F=A+B

注：

或逻辑也称或运算或逻辑加。

符号“+”表示逻辑加。

C、逻辑符号：

实现或逻辑的单元电路称为或门，其逻辑符号如图所示：

3.非运算（逻辑反）

非运算（逻辑反）是逻辑的否定：

当条件具备时，结果不会发生；而条件不具备时，结果一定会发生。

A、真值表:

B、逻辑表达式:

通常称A为原变量，A为反变量。

C、逻辑符号：

实现非逻辑的单元电路称为非门，其逻辑符号如图所示：

第二节逻辑代数的基本定律和规则

一、基本定律

1、变量和常量的关系式

逻辑变量的取值只有0和1，根据三种基本运算的

定义，可推得以下关系式。

0-1律：

A·0=0A+1=1

自等律：

A·1=AA+0=A

重叠律：

A·A=AA+A=A

互补律：

A·A=0A+A=1

2、与普通代数相似的定律

交换律：

A·B=B·AA+B=B+A

结合律：

（A·B）·C=A·（B·C）（A+B）+C=A+（B+C）

分配律：

A·（B+C）=AB+ACA+BC=（A+B）（A+C）

3、逻辑代数中的特殊定律

反演律：

还原律：

三、若干常用公式

1、合并律:

2、吸收律:

A、A+AB=A

B、A+AB=A+B

在一个与或表达式中，如果一个乘积项（如A）取反后是另一个乘积项（如AB）的因子，则此因子是多余的。

C、AB+AC+BC=AB+AC

AB+AC+BCD=AB+AC

在一个与或表达式中，如果两个乘积项中的部分因子互补（如AB项和AC项中的A和A），而这两个乘积项中的其余因子（如B和C）都是第三个乘积项中的因子，则这个第三项是多余的。

第三节复合逻辑

一、复合逻辑运算和复合门

1、与非、或非、与或非逻辑运算

2、异或和同或逻辑运算

A、异或逻辑：

当两个输入变量相异时，输出为1：

相同时输出为0。

真值表:

逻辑表达式：

B、同或逻辑：

当两个输入变量相同时输出为1；

相异时输出为0。

真值表:

逻辑表达式：

第四章组合逻辑电路

前言

1、组合逻辑网络的特点：

组合逻辑网络的特点是，任何一个时刻的稳定输出.只取决于该时刻的输入，而与网络以前时刻的输入无关．

2、组合逻辑网络的分析与设计：

分析:

是对给定的逻辑电路，阐明其输入状态与输出状态之间的关系．即看它所能完成的逻辑功能

设计:

（又称为综合）

是根据实际的命题即给定的功能要求，作出相应的逻辑电路，也就是在给定的逻辑功能块之间选取最佳的连线方案．

3、正逻辑与负逻辑：

前面我们曾用真值表来描述逻辑运算．在真值表中用“1”表示逻辑真，用“0”表示逻辑假，而没有指出这个0和1对应的具体电位．

A、正逻辑:

用逻辑门的高电平代表＂1＂，低电平代表＂0＂

B、负逻辑:

用逻辑门的高电平代表＂0＂，低电平代表＂1＂

采用正逻辑与负逻辑的真值表如下所示．

第一节组合逻辑电路的分析

所谓逻辑电路的分析，就是找出给定逻辑电路输出和输入之间的逻辑关系，并指出电路的逻辑功能。

一、分析步骤：

1、根据给定的逻辑电路，从输入端开始，逐级推导出输出端的逻辑函数表达式。

2、根据输出函数表达式列出真值表。

3、用文字概括出电路的逻辑功能。

二、分析举例：

1、分析图示组合逻辑电路的逻辑功能：

2、分析图示组合逻辑电路的逻辑功能：

3、分析图示电路，指出该电路的逻辑功能。

第二节、组合逻辑电路的设计步骤：

1、逻辑抽象：

将文字描述的逻辑命题转换成真值表叫逻辑抽象，首先要分析逻辑命题，确定输入、输出变量；然后用二值逻辑的0、1两种状态分别对输入、输出变量进行逻辑赋值，即确定0、1的具体含义；最后根据输出与输入之间的逻辑关系列出真值表。

2、选择器件类型：

根据命题的要求和器件的功能及其资源情况决定采用哪种器件。

例如，当选用MSI组合逻辑器件设计电路时，对于多输出函数来说，通常选用译码器实现电路较方便，而对单输出函数来说，则选用数据选择器实现电路较方便。

3、根据真值表和选用逻辑器件的类型，写出相应的逻辑函数表达式。

当采用SSI集成门设计时，为了获得最简单的设计结果，应将逻辑函数表达式化简，并变换为与门电路相对应的最简式。

4、根据逻辑函数表达式及选用的逻辑器件画出逻辑电路图。

三、设计举例:

1、设计一个一位全减器。

画出Cn+1和Dn的K图

画出逻辑电路：

2、设计一组合电路,当接收的4位二进制数能被4整除时，使输出为1。

3、设计一组合电路,比较2个2位二进制数X,Y的大小，当X>Y时，使输出为1。

4、设计一个将8421BCD码转换为余3码的变换电路。

第三章可控整流电路

1．整流电路：

出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电

2.分类:

按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种

按交流输入相数分为单相电路和多相电路

本章内容：

   可控整流电路：

工作原理（波形分析）、基本数量关系、负载性质的影响

第一节单相可控整流电路

 ☆交流侧接单相电源

 ☆重点注意：

工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。

（一）单相半波可控整流电路（SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier）

1.带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用

图3-1单相半波可控整流电路及波形

 ☆电阻负载的特点：

电压与电流成正比，两者波形相同

 ☆结合图3-1进行工作原理及波形分析

 ☆几个概念的解释：

   ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流

   采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路

   ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路

 ☆几个重要的基本概念：

   触发延迟角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表示，也称触发角或控制角

   导通角：

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示

 ☆基本数量关系

直流输出电压平均值为

（3-1）

   VT的a移相范围为180°

   这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式

2.带阻感负载的工作情况

 ☆阻感负载的特点：

电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变

图3-2带阻感负载的单相半波电路及其波形

 ☆电力电子电路的一种基本分析方法

通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算

 ☆对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：

当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。

当VT处于通态时，相当于VT短路

图3-3单相半波可控整流电路的分段线性等效电路

a）VT处于关断状态b）VT处于导通状态

（3-2）

初始条件：

ωt=a，id=0。

求解式（2-2）并将初始条件代入可得

（3-3）

式中，，当ωt=θ+a时，id=0，代入式（3-3）并整理得

（3-4）

 ☆负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角θ的关系

   若j为定值，a越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，θ越小

   若a为定值，j越大，则L贮能越多，θ越大；且j越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。

 ☆为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管

图3-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形

 ☆与没有续流二极管时的情况比较

 在u2正半周时两者工作情况一样

 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。

此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。

续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分

 ☆数量关系

若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有

  （2-5）

（2-6）

（2-7）

（2-8）

（二）单相桥式全控整流电路

单相整流电路中应用较多的

1.带电阻负载的工作情况

 ☆  工作原理及波形分析

 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断

 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断

图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

 ☆数量关系

（2-9）

a角的移相范围为180°。

（2-10）

（2-11）

（2-12）

（2-13）

（2-14）

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。

2.带阻感负载的工作情况

图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形

为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。

假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线

   u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断

   至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通

   VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流

（2-15）

晶闸管移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正反向电压均为。

晶闸管导通角θ与a无关，均为180°。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180°的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。

第四章逆变电路

☆逆变概念

 *逆变——直流电变成交流电，与整流相对应,本章无源逆变

 ☆逆变电路的应用

*蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路

*交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路

 ☆本章内容

第1节——换流方式

第2节——电压型逆变电路

第一节换流方式

1.逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路为例

*S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成

*S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正

*S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电

*改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率

图5-1逆变电路及其波形举例

*电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同

*阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同（图5-1b）

 ☆t1前：

S1、S4通，uo和io均为正

 ☆t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向

 ☆io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大

2.换流方式分类

 ☆换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相

*开通：

适当的门极驱动信号就可使其开通

*关断：

 ☆全控型器件可通过门极关断

 ☆半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断

一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断

*研究换流方式主要是研究如何使器件关断

本章换流及换流方式问题最为全面集中，因此在本章讲述

1.器件换流

利用全控型器件的自关断能力进行换流（DeviceCommutation）

2.电网换流

由电网提供换流电压称为电网换流（LineCommutation）

可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路

不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件

3.负载换流

由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）

负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流

负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流

图5-2负载换流电路及其工作波形

 ☆基本的负载换流逆变电路：

*采用晶闸管

*负载：

电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性

电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入

直流侧串入大电感Ld，id基本没有脉动

*工作过程：

4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波

负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦

t1前：

VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo

t1时：

触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2

t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成

4.强迫换流

 ☆设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（ForcedCommutation）

通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流

 ☆直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压

VT通态时，先给电容C充电。

合上S就可使晶闸管被施加反压而关断

图5-3直接耦合式强迫换流原理图

 ☆电感耦合式强迫换流——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流

两种电感耦合式强迫换流：

*图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断

*图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断

图5-4电感耦合式强迫换流原理图

*给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图5-3）

*先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图5-4）

器件换流——适用于全控型器件

其余三种方式——针对晶闸管

器件换流和强迫换流——属于自换流

电网换流和负载换流——外部换流

当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭

第二节电压型逆变电路

 ☆逆变电路按其直流电源性质不同分为两种

*电压型逆变电路或电压源型逆变电路

*电流型逆变电路或电流源型逆变电路

　图5-1电路的具体实现

图5-5电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

 ☆电压型逆变电路的特点

（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动

（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同

（3）阻感负载时需提供无功。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管

（一）单相电压型逆变电路

1．半桥逆变电路

 ☆电路结构

图5-6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

 ☆工作原理

*V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补

*uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2

*io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b

*V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量

*VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈

*VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管

 ☆特点

*优点：

简单，使用器件少

*缺点：

交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串，要控制两者电压均衡

*用于几kW以下的小功率逆变电源

 ☆单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合

2．全桥逆变电路

 ☆电路结构及工作情况

图5-5，两个半桥电路的组合

*1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°

*uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud

*io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍

*单相逆变电路中应用最多的

 ☆输出电压定量分析

uo成傅里叶级数

（5-1）

基波幅值

（5-2）

基波有效值

（5-3）

uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现

 ☆移相调压（图5-7）

*可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压

*各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变

*V3的基极信号只比V1落后q（0

*V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q

*uo成为正负各为q的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值

图5-7单相全桥逆变电路的移相调压方式

4．带中心抽头变压器的逆变电路

*交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压

*两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道

*Ud和负载相同，变压器匝比为1:

1:

1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同

图5-8带中心抽头变压器的逆变电路

 ☆与全桥电路的比较

比全桥电路少用一半开关器件

器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍

必须有一个变压器

二.三相电压型逆变电路

*三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路

*应用最广的是三相桥式逆变电路

*可看成由三个半桥逆变电路组成

图5-9三相电压型桥式逆变电路

 ☆180°导电方式

*每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°

*任一瞬间有三个桥臂同时导通

*每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流

 ☆波形分析

图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形

负载各相到电源中点N'的电压：

U相，1通，uUN'=Ud/2，4通，uUN'=-Ud/2

负载线电压

（5-4）

负载相电压

（5-5）

负载中点和电源中点间电压

（5-6）

负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是

（5-7）

利用式（5-5）和（5-7）可绘出uUN、uVN、uWN波形

负载已知时，可由uUN波形求出iU波形

一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似

桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点

 ☆定量分析

*输出线电压

uUV展开成傅里叶级数

（5-8）

式中，

，k为自然数

输出线电压有效值

（5-9）

基波幅值

（5-10）

基波有效值

（5-11）

*负载相电压

uUN展开成傅里叶级数得

（5-12）

式中，

，k为自然数

负载相电压有效值

（5-13）

基波幅值

（5-14）

基波有效值

（5-15）

 ☆防止同一相上下两桥臂开关器件直通

采取“先断后通”的方法