7-21，电压控制电流仿真题目分析

李维强-15级

题目要求 ：
单电源供电12V
信号源从0-5V变化，输出端电流从0-500mA变化。
电路图如下，0-500mA的电流是流过电阻RL的电流，V1是可控信号源0-5V.
图中所有原件选型及其参数都是需要待定的，并且分析整个电路原理，并确定每个原件选型及其参数选择。




我楼下给出我的理解，说得不对的地方希望各位修正。

李维强-15级

根据1楼的图
可以看出,整个电路是一个反馈放大电路，如果把R3看成负载，用负载短接法判断，那么就是电压串联的负反馈，负反馈的目的，就是在牺牲放大器输出增益的同时保持输出稳定，稳定是目的。如果形成负反馈，那么就用“虚短虚断”来分析电路，如果行不成负反馈呢？也就是说像上图这样，虽然接法正确，但是参数不对，接负反馈行不成呢？那么就不能按照虚短虚断判断了。。

按照上面的分析，如果参数取得好，形成负反馈了，那么运放两输入端可以看成短路，也就是电压一样，那么R3上端就是5V，由于是反馈，在外接有扰动的情况下（比如说VCC电压变了啊，RL电阻有变化了啊等等），只要运放左边给定的输入电压V1=5V恒定，那么整个系统（就是整个电路的意思）就会自动的，努力维持R3上端的电压（也就是运放反向输入端）为5V，让其一直处于虚短（可以说成是稳定在给定的5V），也可以说那一点的电压要一直追随V1这个信号源的给定值5V，例如给定值V1变为4V，那么整个系统也会努力让反向输入端变成4V，当然这个变化的过程一定需要时间的，在自动控制原理里面叫稳定时间（也叫上升时间），但是由于这种运放属于电路，整个系统没有任何的滞后环节（比如说电容，电感这些），左边进信号，右边就出信号，按照科学的话来说，信号的传输为即进即出，所以整个努力保持稳定的过程耗时很短，电流的速度有好快，那么电路从不稳定达到稳定的速度就有好快，所以我们不考虑这个稳定过程所花费的时间。但是切记，从原理上讲，这是一个随动系统，由于收敛快（也就是超调量极其微小），我们看不到R3上端电压的波动，就认为它是稳定的，但从理论上讲，那一定会上下波动。

好了 如果看成R3是负载，根据题目要求，最大5V对应500mA，所以在R3上端为5V的情况下，流经R3的电流为500mA，自然得出R3的电阻值为   10欧姆。由于电流500mA，需要选择的三极管就是IC电流要能够承受得了500mA的，所以三极管选8050。单从三极管来看，三极管是一个射极跟随器的作用，所以三极管基极的输入电流（也就是运放的输出电流）远小于500mA，Ib*放大倍数=500mA，所以Ib很小，大部分运放都得行。
继续按照这个思路，确定RL的值，由于流过RL的电流也是流过R3的电流，可以把VCC，三极管，RL,R3看成一个串联通路，我们知道即使三极管Vce在饱和导通的时候分压很小，0.3以下，这里我们估计就给它看成0V嘛，那么12V全部加在RL,R3上面，让其有500mA的电流，R3+RL不能大于24欧。由于先前确定了R3=10欧，所以RL不能大于14欧了，我们这里就取个10欧，以后再看看行不行。

最后就是确定R1的值了，首先要看三极管看成一个射极跟随器，现在流的Ic是500mA，所以按照三极管放大倍数200倍来算，流经过基极的电流都不应该小于2.5mA，这个电流是一定流经R1的，根据RL，R3的电阻值再加上三极管Vbe的分压0.7（姑且算0.7，在和王学长的讨论过后发现，在Ic很大的情况下，Vbe会变大一点），三极管的基极起码要10点几伏以上嘛，姑且就算10伏，运放输出的电压即使是轨到轨的，都只有12V，而如果选LM358的话运放由于输出限幅（万老师在20号下午讲过），只有10.5V，也么意思就是说R1在流经2.5mA的电流情况下，不能分压超过10.5V-10V=0.5V，所以R1需要小点好，而进一步的分析，R1其实不要更好，因为没有分压了嘛，运放的电压无损耗的加载到三极管基极，岂不是更好。期间我看到有些同学在考虑如果不要R1，是不是会出现基极电流很大的情况，以至于短路什么的，对于这个问题，就再去看看书上讲的三级管三种组态中的第二种，射极跟随器！！！射极跟随器！！！射极跟随器！！！        总要的事情说三遍。。。。

好了按照上面的分析，得出方正结果（我这里是用2N5551代替的8050）


可以看到R3上电流达不到500mA，电压电流分别是4.78V，478mA，那么在这个时候，运放也没有形成负反馈，因为运放两端输入的电压差是5-4.78=0.22V，不等于0吧，意思就是把这个电压差放大10W倍（因为运放永远都是在放大这两个输入端的电压差，当这个电压差几乎为0的时候，通过10W倍的放大，才可能出现我们想要的几伏啊这样的电压输出），运放输出绝对饱和。
可以看到运放的输出10.5V（被限幅1.5V的结果），如果我们想到，对于这个电路，如果三极管基极电压再太高0.22V，岂不是R3上端就可以达到5V啦，但是对于该电路，电源12V不变的情况下，只能改变RL的阻止了，自然而然的就想到把RL变小变成8欧，看看效果：

所以可以看到RL只能在0-8欧上面变化，系统才能够达到稳定，当然不一定上限是8欧，反正在8欧附近了嘛，意思就是多了就不行了。。。

李维强-15级

另外如果把 RL看成负载，那么整个系统就是电流串联的负反馈，电流反馈当然就是稳定电流的目的，分析方法就不说了，和上面类似。但是关于电流反馈的我也不熟悉，需要进一步看看那些基本概念。。


最后说说为什么RL大了不行，以及整个系统的动态响应过程（故意分析的动态过程，记住这种电路按照科学的话来说就是即进即出，没得中间那些过程得，我这里只是为了试着用简单的语言分析下反馈的原理，高深的我还需要继续研究才行）。。

首先在RL为10欧的时候，运放输出10.5V ，如果在高0.22V , R3就可以分得到5V压降了，但是运放被限制，不得行最大只有楞个多，那么简单的看，如果运放输出10.5V不变，如果改小RL，那么R3的分压就会增加，RL的分压就会减小，那么R3分压增加了就达到5V了，也就达到我们需要的500mA了。
在R3达到5V过后 继续改小RL，R3的5V压降也不会变，因为这个时候进入虚短，也就进入了负反馈，整个系统会努力维持R3上端的电压为给定的5V。

那么我用自己的语言解释下在RL不断变小的时候系统是怎么努力维持R3上的压降一直为5V的。






比如说现在RL从8欧开始变到2欧，变化再看下面两个图：


运放在8欧的时候输出9.94V，假设RL瞬间变到2欧，运放还没来得及反应，它任然是输出9.94V，那么此时R3的电压就会变大超过5V，架设变到7V了，那么这个7伏是加载到运放的负向端的，此时运放负向端是7V，正向端是5V，那么运放的正向端负向端的差值就是-2V，那么把这个-2V放大10W，且受电源的原因，运放就要从原来输出的9.94V变为0V，也就是说运放输出会下降，但是在变为0V的这个过程中
比如说运放在输出电压下降的过程中下降到了5V，这个时候R3的电压坑定小于5V吧，就说此时R3上端电压为4V，这个4V电压传回到运放输入端，和给定的5V比较，那么运放的正向端负向端的差值就是1V，那么把这个1V放大10W，那么输出就会重新返回运放能够输出的最大电压值10.5V，也就是说运放电压会在下降到4V的时候从新上升。那么运放电压上升了，R3上端的电压也跟着上升，上升到等它超过5v了，又通过上面的道理又下降，以此反复，最终稳定在5V，这个过程就是在RL变小的时候，系统努力把R3那一点的电压稳定在5的过程。

当然上面讲的过程，理论上是这样，但是实际上我们要把它看成 即进即出，没有上面说的这些过程（总要的话讲3遍。。。）  也就是说，对于该电路（没有任何超前，滞后环节），即使负载变了，右边也马上跟住。。。


好了  花了几个小时，虽然口水话黑多，我也算是写了篇报告了吧。  我水平有限，有什么说得不对的，还请指出。。

削亮

      其实在设计一个电路并确定参数是时，首先应该根据最基本的电路逻辑进行简单计算。如楼主的原始电路，希望R3上有500mA和5V的到电压，那么R3就只能是10Ω了，考虑在Q1饱和时加上RL还要满足R3上的电压要求，这时RL=Vcc/0.5-R3=14Ω（忽约了Q1的饱和压降），也就是说RL最大就只能是14Ω，大于14Ω后，R3上的电流将低于500mA ,系统将退出负反馈，且U1A将饱和（假设V1=5V不变）；那么RL在0~14Ω变化时，因负反馈的作用，R3上的电压就是5V电流就是500mA 了。另外，从另外一个角度看，当V1=5V不变时，改变RL（0~14Ω），U1A实际上是一个反向放大器，减小RL，相当于增加U1A的反向输入，U1A的输出就下降，结果维持R3上的压降。

李维强-15级

通过前面的讨论，如果想把RL电阻加大点，同样想达到500mA，那么意思就是要把R3减小，那么主体上的方案我想到的有两种，

1：  就是在输入给定5V不变的情况下，减小R3，但是在反馈回路上面放大相应的减小倍数。

2：  就是在减小R3，在运放输入给定也按照相应的的倍数减小，这样也可以

下面给出一个简单的第2种方式示意图，可以看到RL比原来大了很多的情况下也能达到要求

张昌兴

关于三极管选型问题:
Icm>=Ie=500mA
V(BR)CEO>=Vcc=12V
Pcm>=Vce*Ic=Ic*[12-Ie*(RL+Rs)]
类比于一元二次方程求解出最小功耗为3.5W。

张昌兴

Rb的取值范围近似计算：
Vp-[（1+B）*Vom*Rs]/Rb<Vcc/Avo

Rb为三极管基极电阻，Vp为正向输入电压，B为三极管放大倍数，Rs为采样电阻值，Vom为运放输出最大电压，Avo为运放开环放大倍数

李维强-15级

张昌兴 发表于 2015-7-22 14:49
Rb的取值范围近似计算：
Vp-[（1+B）*Vom*Rs]/Rb

这个貌似不能这么算，在Ic不同的情况下 放大倍数不同。电流小几百，电流大几十