晶闸管直流调速线路中的电路调节器种类分析

（1）晶体管电压放大器 运用晶体管的放大特性可构成晶体管放大电路，常用的电压放大电路即将微弱的信号电压放大成幅度较大的信号电压。完成电压放大的电路叫电压放大器。研究电压放大时，不太注重电流信号的放大。基本电压放大电路中的晶体管常呈现共发射极接法，其电路如图5-50a所示；基本电压放大电路工作原理分析如图5-50b所示。

图5-49 双脉冲环节各触发器间的连线示意图

图5-50 基本电压放大电路及其工作原理分析

图5-50中基极电流I_b、集电极电流I_c、集一射电压U_ce都是电路的直流值（静态值），称为放大电路的静态工作点。

当有交流信号电压经过耦合电容C₁叠加到晶体三极管的发射结上时，将引起基极脉动电流i_b，经晶体三极管放大后又产生放大了的集电极脉动电流i_c，由于集电极电阻R_c的作用又将变换为集电极-发射极脉动电压u_cc，该电压经耦合电容C₂的隔直作用后，将输出一个放大的且反相的输出电压，其电路的电压放大倍数A_u等于电压和的幅值之比或有效值之比，即

（2）集成运算放大器 集成运算放大器是电子模拟解算装置的基本单元，它由高放大倍数的放大器加上强反馈电路构成，是一种高放大倍数的直接耦合放大器。其放大倍数可高达10⁷倍（140dB）以上，输入阻抗为100kΩ～10MΩ，输出阻抗为75～300Ω。集成运算放大器可用来做加法、减法、乘法、除法、积分、微分等运算，可方便地组成比例、积分、微分等各种电路调节器。

现以F007运算放大器为例，简要介绍其电路的组成及工作原理。

1）基本组成部分。运算放大器的内部电路一般由输入级、中间级、增益级、输出级及其保护电路和偏置电路四部分组成。通用单片集成运算放大器F007（μA741）电路如图5-51所示。

图5-51 通用单片运算放大器电路F007

①输入级。输入级由V₁～V₁₀组成，这是F007的第一级——电压增益级。对输入级的要求是：输入失调电压小、输入偏置电流小、放大倍数高、共模抑制比高和容许的差模与共模输入信号范围大。几乎所有的运算放大器输入级都采用差动放大电路。图5-51中，V₁和V₃、V₂和V₄组成互补差分放大器，其中V₁和V₂为NPN型晶体管，β值很大，又是共集组态，起到减小基极电流和提高放大器输入阻抗的作用。V₃和V₄为横向NPN管，β值较小，组成共基极组态，使频率响应得到改善。这两种组态所组成的共集电极-共基极放大级，能够承受较高的输入电压。

V₅～V₇以及R₁～R₃组成的改进型镜像恒流源，用作差分放大器的有源集电极负载，同时将差分放大器的双端输出变为单端输出，从而提高了输入级的增益。

输入信号由V₁和V₂的基极输入，放大后的信号由V₄集电极输出。脚1和脚5供外接调零电位器用，脚2为同相输入端，脚3为反相输入端。

②中间增益级。V₁₃、V₁₄及它的有源负载V₂₀组成F007的第二电压增益级，对这一级的要求是电压放大倍数高，具有直流电平移动及变双端输入为单端输出的功能。为了保证该级稳定工作，在V₁₃的集电极与基极之间外接了一只30pF的相位校正电容C。

③输出级及保护电路。V₁₇和V₁₈组成互补输出级。对输出级要求有较大的额定输出电压和电流，有较低的输出电阻，同时还具有输出过载保护电路。该级工作在甲乙类状态，静态电流由V₁₅、R₆和R₇组成的倍增电路提供。V₁₆和R₈组成正向保护电路。当输出管V₁₇的电流增加时，R₈上的压降随着增大。当R₈上的压降增大到V₁₆的导通电压时，V₁₆导通并分流流入V₁₇的基极，从而使V₁₇的发射极电流下降，起到保护作用。V₁₂与R₁₂组成负向保护电路。当输出负向信号时，信号电流经负载和R₁₈流入-U_ce。如果信号电流很大，V₁₈的基极电流必定很大，流过R₁₄发射极的电流也必然很大，使R₁₂上的压降增大。当R₁₂上的压降为0.5V时，V₁₂开始导通，并分流V₁₃的基级电流，从而限制了输出电流，达到保护的目的。

④偏置电路。F007的偏置电路如图5-52所示。主要要求是产生稳定的偏置电流。这是一个闭环系统，有电流负反馈作用，稳定了相应级的工作点。例如，当温度升高时，I_c3和I_c4均随之增加，流过V₈的电流增加，根据镜像关系，流过V₉的电流必定增加。若I_c10不变，则I_b3加I_b4必定减小，从而使I_c3和I_c4下降，稳定了静态的工作点。

图5-52 F007的偏置电路

温度的升高使I_c3和I_c4增加，相当于在V₁和V₂基极加有共模信号，这个闭环电流反馈作用的结果，使共模信号降低，常称其为共模反馈电路。

2）集成运算放大器组成的各种电路调节器。在运算电路中，集成运算放大器应工作在线性区，因此都必须引入深度负反馈。集成运算放大器引入各种不同的负反馈网络，便可实现各种不同的运算功能，方便地组成比例、积分与微分等调节器。

①加法运算电路。能实现输出电压与几个输入电压之和成比例的电路，称为加法运算电路。按输入信号均从反相端或均从同相端输入，可分为反相加法电路和同相加法电路。由于同相加法电路调试不便，且有共模输入，故较少采用，这里仅介绍反相输入加法电路。

图5-53 具有3个输入端的反相输入加法运算电路(www.xing528.com)

图5-53为具有3个输入端的反相输入加法运算电路。根据反相输入“虚地”和“虚断”的特点可见

i₁+i₂+i₃=i_f （5-24）

即由此可得输出电压若R₁=R₂=R₃=R_f，则u_o=-（u_i1+u_i2+u_i3） （5-27）

表明该电路实现了输入电压求和，即输出电压是多个输入信号叠加的结果。式中负号是由于信号从反相端输入引起的。若在图5-53的输出端加接一级反相器，则可消去负号。

为了保证运放输入端参数对称，提高运算精度，设计时应取

反相输入加法运算电路设计和调试方便，因为当改变某一信号回路的输入电阻时，仅影响该回路输入电压与输出电压之间的比例关系，而不影响其他回路输入电压与输出电压之间的比例关系。另外，由于“虚地”，故共模输入电压可视为零，其实际应用广泛。

②减法运算电路。由上所述，若先将某一信号u_i1加至反相器中倒相为-u_i1，然后与另一输入信号u_i2一起加入到反相输入加法电路中相加，则输出与两输入信号之差成比例，就实现了减法运算，但这需要运用两个运放。而差动输入式减法运算电路只需用一个运放。下面对它进行介绍。

在图5-54中，将运算的信号分别从两个输入端输入，反馈信号仍然加至反相端。该电路输出电压与两输入电压之差成比例，实现减法运算，称为差动输入式减法运算电路。

图5-54 差动输入式减法运算电路

由图5-54可见，运放外接负反馈，因而工作于线性状态，即该电路属于线性电路，故叠加定理适用。u_i1单独作用时的输出用u_o1表示，u_i2单独作用时的输出用u_o2表示，则由叠加定理可得

若R₁=R₂，并且R₃=R_f，则

若R₁=R₂=R₃=R_f，则u_o=-（u_i1-u_i2）（5-31）

由此可见，输出电压与两个输入电压的差值成正比，实现了减法运算。即该电路是对输入端的差模输入电压进行放大，因此又称“差动放大器”。由于“虚短”，，因此差动电路也存在共模输入电压。

由于加减法运算电路输出电压与输入电压呈比例关系，亦称比例调节器（P）。

③积分运算电路。反相比例运算电路中的反馈电阻R_f由电容C所取代，便构成了积分运算电路，亦称积分调节器（I）。其电路如图5-55所示。

积分运算电路主要用于延迟电路、波形变换等电路中。积分调节器I常与比例调节器P配合使用，组成PI调节器。

④微分运算电路。微分是积分的逆运算。将图5-55所示积分运算电路中电阻R₁与电容C的位置互换，即构成微分调节器（D）。其电路如图5-56所示。

图5-55 积分运算电路

图5-56 微分运算电路

微分运算电路对高频噪声和突然出现的干扰（如雷电）等非常敏感，故它的抗干扰能力很差，限制了其应用。微分调节器常与比例P和积分配合使用，组成PID调节器。