本文将详细介绍一个家用空气净化器项目，涵盖空气检测、气味传感器的信号处理、MOS 管作为开关的应用，以及电路原理图设计等方面，包括选择、模拟信号处理和优化，旨在实现自动化的开关控制和模拟到数字信号的转换。

项目背景介绍

此项目主要应用于家用或办公领域。当空气出现一定程度的污染时，净化系统会自动开启，进行空气净化和杀菌处理。经过一段时间的净化，当空气重回健康状态后，系统会自动关闭。这种自动化的控制方式，能够有效提高空气净化的效率，为用户提供更加舒适、健康的室内环境。

项目资源评估

要实现这个项目，需要以下条件：

1. 气味传感器：用于对空气进行检测，并将检测到的空气状态转换成电压信号。大多数传感器的工作原理是将某种形态的物理量转化为电信号，但由于转换后的电压信号通常较小，因此需要对其进行放大处理。
2. 信号放大与控制：对电压信号进行放大处理后，通过比较器来控制机器的开和关。比较器可以根据放大后的电压信号的幅值和向量变化，准确判断空气的污染程度，并控制净化系统的运行。
3. 关键元器件：需要、比较器和开关等元器件。运算放大器用于对信号进行放大，比较器用于判断信号的大小，开关则用于控制电路的通断。
4. 电源：采用 15VDC 3A 的电源，可直接购买使用。稳定的电源供应是保证系统正常运行的基础。
5. 直流有刷马达：需要一个 15V 2A 的直流有刷马达，通过 MOS 管作为开关来控制马达的运行。MOS 管的开关特性能够精确控制马达的启动和停止，从而实现净化系统的自动化控制。

如何设计原理图（含元器件原理分析）

在设计原理图时，需要对关键元器件进行深入分析。其中，MOS 管分为 N 型 MOS（N 沟道）和 P 型 MOS 管（P 沟道）。

• NMOS 管：具有开关速度快、耐压高、通过电流能力强等优点。在其内部封装有一个，当 NMOS 管正向流通时，二极管不导通；当 DS 不导通时，电流可以往回流，实现能量回收。NMOS 管的导通条件是 Ug - Us > 10V（施加电压源），其状态分为关闭和截止（Ug - Us < 4.5V）、放大状态（Ug - Us 约等于 4.5V），4.5V 即为阈值电压，类似于 n 型基极的阈值电流（0.5mA），超过该值三极管工作在饱和状态，低于该值则工作在放大状态，再低于一定程度则处于截止状态。
• PMOS 管：由于工艺的影响，开关速度相对较慢，损耗量比 NMOS 管大，耐压相对较低，通过的电流也较弱。

元器件选型

• MOS 管作为开关的原理分析：在某些情况下，当开关导通到 15V 时，会通过电阻形成压降，同时对 MOS 管进行充电。当充电到阈值电压时，MOS 管导通；导通后，源极电压变为 15V，导致源极电压大于栅极电压，MOS 管关断，源极电压为 0，然后重复上述过程。这可以参考 N 型三极管理解。
• 正确电路设计：在正确的电路设计中，当 15V 导通时，由于源极接地，栅极和源极之间的压差始终大于平台电压，所以 MOS 管会一直导通；当 GND 导通时，MOS 管通过电阻对内部电容进行放电，由于 MOS 管不导通，内阻无限大，漏极近似等于 + 15V，马达两端没有压差，就没有电流，马达停止转动。这样就通过控制 MOS 管的开和关，实现了马达的转和不转。

• MOS 管状态及优化：MOS 管内部分为三种状态。结论是 NMOS 管作为开关使用时，S（源极）必须接地。在实现开关自动化打开和关闭的过程中，原电路存在不足，例如输入信号为模拟量时，可能会出现 Q2 和 Q1 同时导通的情况，导致短路和热损坏。优化后的电路图采用推挽电路，将 N 管和 P 管接在一起，在任何时候都只有一个管子导通，能够实现快速开通和快速关断。

• MOS 管和三极管的区别：MOS 管和三极管在工作原理和特性上存在一定的差异。MOS 管是电压控制型器件，而三极管是电流控制型器件。在本项目中，根据具体的应用需求，合理选择了 MOS 管作为开关来控制马达。

运算放大器

• 基本放大电路：三极管在不同的电流条件下工作在不同的状态。当 Ib 通过的电流 Ib > 1mA 时，三极管工作在饱和状态；当 0.1mA < Ib < 1mA 时，三极管工作在放大状态。通过三极管可以实现信号的放大，但要保证 B 值不变，需要让 Ib 或 Ic 工作在一个合适的范围（Q 点静态工作点）。
• 推挽电路分析：在推挽电路中，当左边没有信号输入时，由 15VDC 供电，电容起到通交隔直的作用，电流处于静态工作点的电流 Ib；当左边有交流信号输入时，信号上升时，一部分电流通过 R6 释放，一部分通过三极管导通；信号减小时，电容通过 R8 放电，在三极管上形成动态的反向电流，与静态工作点的一部分电流相互抵消，维持三极管的工作电流在静态工作点范围内。
• 反馈与干扰抑制：反馈的作用是稳定输出信号，使输出信号受输入信号的控制，实现自我调整。通过负反馈电阻，可以抑制共模干扰，使波形具有收敛性。差分放大电路可以把差模信号放大，在 Uo 端输出，同时能够补偿由于外部环境变化引起的信号变化，尽可能地将信号最大程度地传递进来。
• 反馈类型判断：电压反馈和电流反馈的判断方法是令输出电压为 0，若反馈量随之为 0，则为电压反馈；若反馈量依然存在，则为电流反馈。常见的反馈电路有电压（输出端）串联（输入端是电压）负反馈电路、电压（输出端）并联（输入端是电流）负反馈电路、电流（输出端）串联（输入端是电压）负反馈电路、电流（输出端）并联（输入端是电流）负反馈电路。
• 运算放大器特性与计算：由于运算放大器的放大倍数无穷大，大部分电流或电压需要反馈回输入端，等效输入电阻无穷大，形成虚短和虚断的特性。在实际计算中，可以根据虚短和虚断的原理，对不同的反馈电路进行分析和计算。

原理图绘制

在完成元器件的选型和电路分析后，就可以进行原理图的绘制。原理图的绘制需要准确反映各个元器件之间的连接关系和信号流向，为后续的 PCB 设计和系统实现提供基础。