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1、项目4：触摸开关的分析与检测 集成运算放大器在电子产品 中应非常广泛，触摸开关就是运 用运算放大器电压比较功能来实 现控制作用，本项目就是通过触 摸开关的分析还学习运算放大器 的功能和反馈的相关知识，同时 我们也可以运用前面所学过的检 测的相关知识点来对触摸开关进 行检测与组装。达到提高动手操 作能力的目的。触摸开关的认识1集成运放的特性与检测2负反馈及其应用分析 3集成运放的应用4触摸开关的检测65触摸开关在日常生活 中是很常见的，比方说在 我们的家里过道上、楼梯 间等。它的作用就是将人 体触摸信号（感应信号） 进行放大再通过运算放大 器放大控制继电器开关闭 合，灯泡点亮，触摸开关 实物。如
2、图4-1所示。图4-1 触摸开关实物图4.1 触摸开关的认识触摸开关内部电路结构如图4-2所示，触摸开关共由12个 电子元器件构成，其中核心元件为CF741。具体元器件及功能 如表4-1所示。4.1 触摸开关的认识图4-2 触摸开关内部结构图表4-1 触摸开关元件列表序号标标号实实物名称作用1R、R1、R2、R3、R4电电阻为电为电 路提供电压电压2VT1场场效应应管输输入信号放大 3U1CF741运放信号比较较放大 4VT29012三极管信号放大 5J带带开关的继电继电 器继电继电 路吸合开关6C瓷片电电容对对触摸信号进进行耦 合 7JP12V电电源接口连连接外部供电电我们认识了触摸开关的实
3、物及内部结构,哪么它是怎么 样实样人体触摸就能进行开关作用呢,下面就一起来学习这 些知识。4.1 触摸开关的认识4.2 集成运放的特性与检测将一个具有一定功能的电路的所有元件或绝大部分元件 ，以及元件之间的连线，集中制作在同一块半导体基片上所 形成的电路叫集成电路。集成运算放大器是将一个高增益的 多级直接耦合放大电路集成在一块半导体中。集成运算放大 器的基本功能有： （1）信号运算：比例、 加、减、乘、除、指数、对数、积分、微分等 。 （2）信号放大：反相放大（反相比例）、同相放大（同相比例）、差分放大。 （3）信号产生：正弦波发生器、方波发生器、矩形波发生器、三角波发生器等。 （4）信号比较
4、：（模拟）电压比较器 （5）信号变换：将正弦波变换为三角波、梯形波；将方波变换为三角波、锯齿波等。 集成电路是采用半导体制造工艺将组成电路的元器件和互连 线集成在一小块半导体基片上的微型电路系统。是将元器件和电 路融为一体的固态组件，因此，集成电路又称为固体电路。集成电路的优点：体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工 作可靠等。集成电路的类型：以集成度即管子和元件数量可分为一百以 下的小规模集成电路；一百至一千个之间的中规模集成电路；一 千至十万个之间的大规模集成电路；十万以上的超大规模集成电 路。按所用器件又可分为双极型器件组成的双极型集成电路；单 极型器件组成的单极型集成电路；双极型器件和单
5、极型器件兼容 组成的集成器件。此外，还有线性集成电路和数字集成电路等。集成运算放大器(简称集成运放)：直接耦合的高放大倍数的 线性集成电路。4.2 集成运放的特性与检测1.集成运算放大器简介2.集成运算放大器的外形和符号（1）集成电路的外形国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插 式，如图4-3所示。（a）圆壳式 （b）双列直插式 （c）扁平式图4-3 集成电路外形图4.2 集成运放的特性与检测国家标准(GB3430-82)规定，由字母和阿拉伯数字表 示，例如CF741、CF124等，其中C表示国家标准，F表示 运算放大器，阿拉伯数字表示品种。如图4-4所示。图4-4 CF741外接线图
6、4.2 集成运放的特性与检测（2）集成运放的型号（3）集成运放的管脚顺序及功能国产第二代集成运放CF741接线如图4-5所示。双列直插式集 成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时 针方向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(+9-+18)V，脚4接负电源(-9-18)V，脚6为输出 端，脚1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端(输出信号与输 入信号同相位)，脚2为反相输入端(输出信号与输入信号反相位) 。脚8为空脚。国产第一代集成运放F004接线如图4-2-3所示。圆壳式集成运 放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方 向排列。管脚功能如下：脚7接正电源(+1
7、5)V，脚4接负电源(-15)V，脚6为输出端， 脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端 ，脚5、6之间的300k电阻及RP、CP的作用是消除自激，可通 过调试决定数值。4.2 集成运放的特性与检测图4-5 F004外接线图不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应 用时可查阅产品手册来确定。4.2 集成运放的特性与检测（4）集成运放的图形符号如图4-6所示，图(a)是国家新标准（GB472813 1996）规定的符号；图(b)是曾用过的符号。画电路时， 通常只画出输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入 端，标“-”号表示反相输入端。(a)新标准的图形符号 (b)以
8、往用过的图形符号图4-6 运算放大器的图形符号4.2 集成运放的特性与检测3.内部电路组成框图及各部分作用集成运算放大器内部电路如图4-7所示由输入级，中 间级,输出级各偏置电路四部分组成,各部分的作用如下：图4-7 内部电路框图 （1）输入级输入级又称前置级。采用双端输入，接收输入信号。特点：输入电阻高，差模电压放大倍数大，抑制共模信号的能力强。4.2 集成运放的特性与检测（2）中间级一般是两级以上的差分放大电路。特点：起整体电路的主要放大作用，电压放大倍数可 达千倍以上。为了提高电压放大倍数，电路常用复合管作 放大管，或放大电路为有源负载放大电路。（3）输出级单端输出。输出级就是功率放大级
9、。特点：输出电阻小（即电路带负载的能力强），动态 范围宽（属大信号放大） 多采用互补对称（输出）电路。4.2 集成运放的特性与检测（4）偏置电路偏置电路为内部各级放大电路提供静态偏置，即提供 偏置电流。特点：由于各级放大电路的静态电流较小，若采用第 二章介绍的偏置电路，则偏置电阻的阻值较大，一般超过 100k以上，而如此高阻值的电阻在集成 电路内部制作起 来很困难，故偏置电路（除输出级以外）采用特殊电路 电流源电路。4.2 集成运放的特性与检测1.集成运算放大器的主要参数（1）开环差模电压增益Aud：集成运放的开环差模电 压增益是指集成运放工作在线性区，接入规定负载而无负 反馈情况下直流差模电
10、压增益。Aud与输出电压Uo的大小 有关，通常是在规定的输出电压幅值时（如Uo=10V）测 得的值。 = (4-1) 通常也用分贝数dB表示，为20lg=20lg dB 通常Aud较大，一般可达100 dB，最高可达140dB以上 。Aud越大，电路性能越稳定，运算精度越高。4.2 集成运放的特性与检测（2）输入失调电压Uos及其温漂dUos/dT由于集成运算放大器的输入级电路参数不可能绝对对称，所 以当输入电压为零时，输出电压Uo不为零。Uos是使输出电压为 零时在输入端加的补偿电压。输入失调电压Uos通常指在室温 25、标准电源电压下，为了使输入电压为零时输出电压为零， 在输入端加的补偿电
11、压。Uos的大小反映了运放输入级电路的不 对称程度。Uos越小越好，越小表明电路参数对称性越好。一般 为（110）mV。对于有外接调零电位器的集成运算放大器， 可以通过改变电位器滑动端的位置使得零输入时输出为零。另外，UIO还受到温度的影响。通常将输入失调电压UIO对温 度的变化率称为输入电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂） 用dUIO/dT表示dUos/dT是Uos的温度系数，是衡量集成运算放大器 温漂的重要参数，其数值越小，表明集成运算放大器的温漂越小 ，一般为（120）V/。4.2 集成运放的特性与检测（3）输入失调电流IIO及其温漂dIos/dTIos=|IB1-IB2|其中IB1、
12、IB2是集成运算放大器输入级差放管的 基极（栅级）偏置电流，Ios反映输入级差放管输入电流的不对 称程度。通常输入失调电流IOS指常温下，输入信号为零时，放 大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流IOS， 有IOS=IB1IB2它反映了输入级两管输入电流的不对称情况。IOS 越小越好，一般为1nA0.1A。IOS还随温度变化，IOS对温度的变化率称为输入失调电流温 漂，用dIOS/dT表示，单位为nA/。 （4）输入偏置电流IIB输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端 静态电流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2。的大小，输入偏置电 流主要取决于运放差分输入级BJ
13、T的性能，当值太小时，将引 起偏置电流增加。从使用角度看，IIB越小越好，一般为10nA 1A。4.2 集成运放的特性与检测（5）开环差模输入电阻Rid差模输入电阻是指集成运放的两个输入端之间的动态电 阻。它反映了运放输入端向差动输入信号源索取电流的大小 。对于电压放大电路，其值越大越好，一般为几兆欧。MOS 集成运放Rid高达106M以上。（6）开环差模输出电阻Rod集成运放开环时，从输出端看进去的等效电阻称为输出电 阻。它反映集成运放输出时的带负载能力，其值越小越好。一 般Rod小于几十欧。4.2 集成运放的特性与检测（8）最大输出电压UOM在给定负载上，最大不失真输出电压的峰峰值称为最大
14、 输出电压。若双电源电压为（7）共模抑制比KCMR共模放大倍数Aoc如右图6所示，Aoc=uo/uic。 共模抑制比等于差模放大 倍数与共模放大倍数Aoc 之比的绝对值，即KCMR=|Aod/Aoc| 常用分贝表示，其数 值为20lgKCMR。KCMR越大 越好，KCMR越大对温度影 响的抑制能力就越大。，则UOM可达到左右。4.2 集成运放的特性与检测（9）3dB带宽fHfH是使开环差模增益Aod下降3dB（即下降到0.707倍） 时的信号频率。 （10） 增益带宽积GBW、单位增益带宽fCGBW是开环差模增益Aod与带宽fH的乘积，即 GBW=AodfH是一个常数。fC是使开环差模增益Ao
15、d下降到0dB（即Aod=1，失去放 大能力）时的信号频率。 4.2 集成运放的特性与检测（12）等效输入噪声电压密度en、等效输入噪声电流密度 in、等效输入噪声电压峰峰值enp-p、等效输入噪声电流 峰峰值inp-p用来描述集成运算放大器噪声的大小。噪声 越小越好。 （13）功耗Pd在额定电源电压及空载条件下,所消耗的电源总功率Pd 。4.2 集成运放的特性与检测（11）转换速率SR SR=|duO/dt|max，表示集成运算放大器对信号变化速率 的适应能力，是衡量集成运算放大器在大幅值信号作用时工 作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当 输入信号变化斜率的绝对值小于SR时。
16、输出电压才能线性规 律变化。信号幅值越大、频率越高，要求集成运算放大器的 SR越大。2.理想运算放大器的特性所谓理想运算放大器就是将各项技术指标理想化的集 成运放。在分析与应用集成运算放大器时，为了简化分析 ，通常把它理想化，看成是理想运算放大器。理想运算放 大器的特性如下：（1）输入信号为零时，输出端应恒定为零；（2）输入阻抗ri；（3）输出阻抗ro0；（4）频带宽度BW应从0 ；（5）开环电压放大倍数VO。虽然实际的集成运算放大器不可能具有以上理想特性,但 在低频工作时是接近理想的。所以，在低频情况下，实际使 用与分析集成运放电路时就可以把它看成是理想运算放大器 。4.2 集成运放的特性与检测1.差分放大电路构成差分放大电路又叫差动放大电路，就其功能来说是 放大两个输入信号之差，且具有抑制零点漂移的能力。 它是集成运放的主要组成单元，广泛应用于集成电路中 。图4-8所表示的是一线性放大电路，它有两个输入端， 分别接有输入信号电压为ui
