电路

作者:睿博士

运放的电压追随电路,如图1所示,利用虚短、虚断,一眼看上去简单明了,没有什么太多内容需要注意,那你可能就大错特错了。理解好运放的电压追随电路,对于理解运放同相、反相、差分、以及各种各样的运放的电路,都有很大的帮助。

图1 运放电压追随电路

电压追随电路分析

如果我们连接运放的输出到它的反相输入端,然后在同相输入端施加一个电压信号,我们会发现运放的输出电压会很好的追随着输入电压。

假设初始状态运放的输入、输出电压都为0V,然后当Vin从0V开始增加的时候,Vout也会增加,而且是往正电压的方向增加。这是因为假设Vin突然增大,Vout还没有响应依然是0V的时候,Ve=Vin-Vout是大于0的,所以乘上运放的开环增益,Vout=Ve*A,使得运放的输出Vout开始往正电压的方向增加。

当随着Vout增加的时候,输出电压被反馈回到反相输入端,然后会减小运放两个输入端之间的压差,也就是Ve会减小,在同样的开环增益的情况下,Vout自然会降低。最终的结果就是,无论输入是多大的输入电压(当然是在运放的输入电压范围内),运放始终会输出一个十分接近Vin的电压,但是这个输出电压Vout是刚好低于Vin的,以保证的运放两个输入端之间有足够的电压差Ve,来维持运放的输出,也就是Vout=Ve*A。

运放电路中的负反馈

然后,这个电路很快就会达到一个稳定状态,输出电压的幅值会很准确的维持运放两个输入端之间的压差,这个压差Ve反过来会产生准确的运放输出电压的幅值。将运放的输出与运放的反相输入端连接起来,这样的方式被称为负反馈,这是使系统达到自稳定的关键。这不仅仅适用于运放,同样适用于任何常见的动态系统。这种稳定使得运放具备工作在线性模式的能力,而不是仅仅处于饱和的状态,全“开”或者全“关”,就像它被用于没有任何负反馈的比较器一样。

由于运放的增益很高,在运放反相输入端维持的电压几乎与Vin相等。举例来说,一个运放的开环增益为200 000。如果Vin等于6V,这时输出电压会是5。999 970 000 149 999V。这在运放的输入端产生了足够的电压差Ve=6V-5。999 970 000 149 999V=29。999 85uV,这个电压会被放大然后在输出端产生幅值为5。999 970 000 149 999V的电压,从而这个系统会稳定在这里。正如你所见,29。999 85uV是一个很小的电压,因此对于实际计算来说,我们可以认为由负反馈维持的运放两个输入端之间的压差Ve=0V,整个过程如图2所示。这也就是我们熟悉的“虚短”,而由于运放的两个输入端之间的阻抗是很大的,自然也就有了“虚断”。下面的电路具有稳定的1倍的闭环增益,输出电压会简单的追随输入电压。

图2 负反馈的作用

使用负反馈的一个很大的优势是,我们不用去关心运放的实际电压增益,只要它足够大就可以。如果运放的电压增益不是200 0000而是250 000,这会使得运放的输出电压会更接近Vin一些,更小的输入端之间的电压差用来产生需要的输出电压。在图2示意的电路中,输出电压同样会等于运放反相输入端上的输入电压。因此,对于电路设计工程师来说,为了实现放大电路的稳定的闭环增益,运放的开环增益没有必要是一个精确的值,负反馈会使得系统自我调整。

使用负反馈会改善线性度、增益稳定、输出阻抗、增益的精度,但使用负反馈同样也会带来一个严重的问题,那就是降低系统的稳定性,而对于单位增益的电压追随电路来说,这是一种最坏的情况,尤其是在驱动容性负载的情况下,感兴趣的同学可以自己去查阅相关的资料。

关于运放电路,很多时候我们都被灌输反相端追随同相端,就像前面所说的那样,难道就不能同相端追随反相端吗?

对于今天讲的电压追随电路来说,只能是反相端追随同相端。这里因为如果在反相端施加一个正的输入电压,将输出连接到同相端,同样假设输出为0,那Ve会是一个负的电压,乘以运放的开环增益,那输出会是一个负的电压,返回到运放的同相输入端,会进一步得到一个绝对值更大的负电压差。很快运放的输出就会达到饱和,自然也就无法实现同相端追随反相端。

但对于运放来说,如果在反相端施加参考电压,配合其它电子元器件,如三极管、MOS等,使得运放的整体环路形成负反馈,同样也能使同相端追随反相端,而这也自然打破了我们熟悉的运放的反相端追随同相端的规律。

运放的电压追随电路,”虚短”、“虚断”是表面,而负反馈才是根。基于这个根,可以很好的帮助我们去理解千变万化的运放电路。

来源: 凝睿研发工程服务

围观 10

万用表是从事电工、电子技术工作者的必备工具,它的高阻挡通常使用一块9V、15A或22.5V的叠层电池。这种电池不但价格较高,而且寿命短,经常更换很不经济。这里介绍几款适合万用表使用的小型直流升压器电路,这些电路结构简单、元件少,改装后可将电路板直接置于万用表中叠层电池的位置替代使用。

直流升压电路

如图所示是一种输出电压可达22.5 V的直流升压器电路,可用来代替22.5 V的叠层电池。

它利用万用表中的一节1.5V电池供电,工作电流为25mA,输出电流约为0.5mA,用于万用表的高阻挡足够富裕。电路中VT1与VT2组成互补多谐振荡器,它的振荡频率约为2kHz。T是升压变压器,初级就是互补多谐振荡器的负载,次级为升压绕组,输出一个较高的脉冲电压。该电压经过二极管VD1和电容C2整流滤波后成为直流高压,再经过电阻R3与稳压管VD2稳压后可输出一个较稳定的高电压。

电路中变压器T可用晶体管收音机用的502型音频输出变压器,次级作为升压变压器的初级,初级中间的抽头不用,两端抽头作为升压变压器的次级。如果找不到合适的变压器,也可以用收音机输人输出变压器的硅钢片自制,初级用直径为0.25mm的高强度漆包线绕110匝,次级用直径0.21mm的高强度漆包线绕520匝。初次级间要加一层绝缘纸,并注意初次级线圈的同名端。


小型直流升压器

如图所示是一种构造很简单的小型直流升压器,可用来取代15V的叠层电池。电路的核心元件一变压器T使用的是袖珍验钞器的专用变压器。电路耗电约40mA,输出电压为15V。如果万用表15V电池的正极与1.5V电池的负极相接,只需将图7—70中VD1(C1、VDZ的极性调过来,这样将输出一个-15V电压)  


稳压型直流升压电路

如图所示是一种稳压型直流升压电路。该电路可将一节1.5V的电池升压至9V,用来取代9V叠层电池使用。电路空载输人电流低于1.2mA,转换效率高达60%。该电路由振荡电路和稳压电路构成,其中VT1、VT2、C2组成振荡器,色码电感L为储能电感,VD2为整流二极管,C3为输出滤波电容,VT3、VD1、VD3及R2为稳定输出电压的稳压电路。输出电压约等于VD3的稳压值。


逆变电源电路(一)

如图所示是一种利用1。2V、500mAh的镍镉电池做电源的逆变电源电路,输出直流电压为9V,可供数字式万用表使用。下图中变压器T利用15mm的磁环穿绕而成(元器件参数图中均已标注人名为数字万用表的电源开关。


逆变电源电路(二)

如图所示是自控式数字表逆变电源电路。它不需要单独设立电源开关或对表内开关进行改造。该电路具有耗电省、稳定可靠、不影响仪表精度等特点。电路中的变压器T是用E3型铁氧体磁芯、各折去一角后加工成口字形,L2在内,L1在外。整个逆变电源工作时,电池工作电流约为70mA。


简易仿制电路

下图为仿制电路:输入可低至0.8V,输出电流可达10mA

输出开路,输入电流为零。

T:E3日字型磁芯L1=18匝=125μH L2=180匝=12mH


来源:电子工程师笔记

围观 25

1 引言

开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大,同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前,人们认识上的主要误区是把可靠性完全(或基本上)归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计,整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。


在民用电子产品领域,日本的统计资料表明,可靠性问题80%源于设计方面(日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因)。以上两方面的数据表明,设计及元器件(元器件的选型,质量级别的确定,元器件的负荷率)的原因造成的故障,在开关电源故障原因中占80%左右。减少这两方面造成的开关电源故障,具有重要的意义。总之,对系统的设计者而言,需要明确建立“可靠性”这个重要概念,把系统的可靠性作为重要的技术指标,认真对待开关电源可靠性的设计工作,并采取足够的措施提高开关电源的可靠性,才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从这两个方面来研究与阐述。

2、系统可靠性的定义及指标

国际上,通用的可靠性定义为:在规定条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元。描述这种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从而,引出可靠度[R(t)]的定义:系统在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率。

如系统在开始 (t=0)时有n0个元件在工作,而在时间为t时仍有n个元件在正常工作,

  则

  可靠性   R(t)=n/n0  0≤R(t) ≤1

  失效率   λ(t)= - dinR(t)/dt

  λ定义为该种产品在单位时间内的故障数,即λ=dn/dt。

  如失效率λ为常数,则

dn/dt=-λt

  n=n0e-λt

  R(t)=e-λt0     

  MTBF(平均无故障时间)=1/λ

平均无故障时间(MTBF)是开关电源的一个重要指标,用来衡量开关电源的可靠性。

3、影响开关电源可靠性的因素
  
从各研究机构研究成果可以看出,环境温度和负荷率对可靠性影响很大,这两个方面对开关电源的影响很大,下面将从这两方面分析,如何设计出高可靠的开关电源。其中:PD为使用功率;PR为额定功率主。UD为使用电压;UR为额定电压。

3.1 环境温度对元器件的影响

3。1。1 环境温度对半导体IC的影响

硅三极管以PD/PR=0。5使用负荷设计,则环温度对可靠性的影响,如表2所示。


由表2可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了30倍。

3.1.2 环境温度对电容器的影响
 
以UD/UR=0.65使用负荷设计 则环境温度对可靠性的影响如表3所示。


从表3可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了14倍。

3。1。3 环境温度对电阻器的影响

以PD/PR=0.5使用负荷设计,则环境温度对可靠性的影响如表4所示。


从表4可知,当环境温度Ta从20℃增加到80℃时,失效率增加了4倍。

3。2 负荷率对元器件的影响

3.2.1 负荷率对半导体IC的影响   

当环境温度为50℃时,PD/PR对失效率的影响如表5所示。


由表5可知,当PD/PR=0.8时,失效率比0.2时增加了1000倍。

3.2.2 负荷率对电阻的影响

负荷率对电阻的影响如表6所示。


从表6可以看出,当PD/PR=0.8时,失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

4、可靠性设计的原则

  我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。

  4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。

  4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合,在满足器件性能指标的基础上,尽量提高器件的可靠性水平。

  4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约因素进行综合平衡设计。

  4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。

  4.5对于关键性元器件,采用并联方式,保证此单元有足够的冗佘度。

  4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。

  4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。

  4.8 选用高质量等级的元器件。

  4.9 原则上不选用电解电容。

  4.10 对电源进行合理的热设计,控制环境温度,不致温度过高,导致元器件失效率增加。

  4。11 尽量选用硅半导体器件,少用或不用锗半导体器件。

  4.12 应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件,禁止选用塑料封装的器件。

5、可靠性设计

5.1 负荷率的设计

由于负荷率对可靠性有重大影响,故可靠性设计重要的一个方面是负荷率的设计,跟据元器件的特性及实践经验,元器件的负荷率在下列数值时,电源系统的可靠性及成本是较优的。

5。1。1半导体元器件   

半导体元器件的电压降额应在0.6以下,电流降额系数应在0.5以下。半导体元器件除负荷率外还有容差设计,设计开关电源时,应适当放宽半导体元器件的参数允许变化范围,包括制造容差、温度漂移、时间漂移、辐射导致的漂移等。以保证半导体元器件的参数在一定范围内变化时,开关电源仍能正常工作。

5.1.2电容器   

电容器的负荷率(工作电压和额定电压之比)最好在0.5左右,一般不要超过0.8,并且尽量使用无极性电容器。而且,在高频应用的情况下,电压降额幅度应进一步加大,对电解电容器更应如此。应特别注意,电容器有低压失效的问题,对于普通铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3,但钽电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多,否则电容器的失效率将上升。

5.1.3电阻器、电位器

电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器设计的上限值;但是大量试验证明,当电阻器降额数低于0.1时,将得不到预期的效果,失效率有所增加,电阻降额系数以0.1为可靠性降额设计的下限值。

总之,对各种元器件的负荷率只要有可能,一般应保持在0。3左右。最好不要超过0。5。这样的负荷率,对电源系统造成不可靠的机率是非常小的。

5.2 电源的热设计
  
开关电源内部过高的温升将会导致温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时,失效率呈指数规律增加。有统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性的最重要的因素。高频开关电源有大功率发热器件,温度更是影响其可靠性的最重要的因素之一,完整的热设计包括两个方面:一 如何控制发热源的发热量;二 如何将热源产生的热量散出去。使开关电源的温升控制在允许的范围之内,以保证开关电源的可靠性。下面将从这两个方面论述。

5.2.1 控制发热量的设计

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是