任務(wù)2反饋在放大電路中應(yīng)用(2)

1、任務(wù)6.2 反饋在放大電路中應(yīng)用6.2.1 基本概念1. 反饋的基本概念把放大電路的輸出信號（電壓或電流）的一部分或大部分，通過某種電路（稱為反饋電 路）送回輸入端，從而影響輸入信號的過程稱為反饋。反饋到輸入端的信號稱為反饋信號。根據(jù)反饋信號是增強還是減弱輸入信號，反饋又分為正反饋和負反饋兩大類。具體而言，如果反饋信號對輸入信號起增強作用，則稱為正反饋；如果反饋信號對輸入信號起消弱作用，則稱為負反饋。正反饋的結(jié)果，導(dǎo)致輸入信號增強，輸出信號相應(yīng)增大，亦即使放大器的放大倍數(shù)增大。 正反饋常用在振蕩電路中。但正反饋常使電路工作不穩(wěn)定，使放大器的性能變差。負反饋的結(jié)果，使放大器的放大倍數(shù)減小，可以改

2、善放大器的性能，因此在放大電路中 幾乎都采用負反饋。2. 反饋極性判別法反饋的正、負極性（正反饋、負反饋）通?？刹捎盟矔r極性法來判別。采用這種方法判 別反饋的正、負極性時，可先任意設(shè)定輸入信號的極性為正或為負，并以+或-來標(biāo)記，然后沿反饋環(huán)路逐步確定反饋信號的瞬時極性，最后根據(jù)對輸入信號的作用是增強還是消弱， 即可確定反饋極性。例如，對于圖6-10 （a）所示的集成運放，設(shè)輸入信號 q為正（標(biāo)以+）,則輸出信號uo 的瞬時極性為負（標(biāo)以-）,經(jīng)電阻Rf返送到同相輸入端，反饋信號Uf的瞬時極性為負（標(biāo)以）。這樣，凈輸入信號Ud = Ui- （ -Uf） = Ui+ Uf，與沒有反饋時相比增大了，

3、即反饋信號增強了 輸入信號的作用，所以可確定為正反饋。用同樣方法可判斷圖 6-10 （b）所示集成運放引入的是負反饋。圖6-10反饋極性判別舉例6.2.2常見放大器1. 反相放大器反相放大器如圖6-11所示。圖中Rf為負反饋電阻，成為閉環(huán)狀態(tài)；R1為輸入端電阻，為使電路對稱，在同相輸入端和地之間接入電阻R2, R2稱為平衡電阻，其作用是保證放大器穩(wěn)定工作，R2= r1 II Rf , 口為加在反相輸入端上的電壓（同相輸入端接地）;uo為輸出電壓。輸入信號通過 R1加到運放的反相輸入端，輸出信號通過負反饋電阻Rf也加到反相輸入端，從而在反相輸入端實現(xiàn)電流相加h=i-+if。3 ftUJEia r

4、O7廠_ r圖6-11反相放大器根據(jù)i-=i+-0，可以得到u_uii=if= r又因為U-=U+,而u+= 0,所以u- 0,反相端雖然沒有接地，但電壓為零，故稱為“虛地”。“虛地”與真正的“地”區(qū)別在于：“虛地”點的電位近似為零，而不是真正地為零；電流不流進“虛地”，而是從“虛地”點繞行。于是得 U_uUoif=RfRf Ui -u_ Ui i1=Ri Riif=ii故閉環(huán)放大倍數(shù)為UiRfRi(6-8)i23式中的“-”表示輸入信號從反相端引入時，輸出電壓與輸入電壓相反。Uo與Ui的比例關(guān)系，只與Rf和Ri有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無關(guān)。當(dāng)Rf=Ri時，Uo=-Ui，實現(xiàn)了反相功能（稱為反

5、相器或反號器）。如圖6-12所示是加法運算電路，它是在反相比例運算電路基礎(chǔ)上改造而成的。由圖可列出：Uiii2Ui2i3Ui3*112IIUi3OII1312RfUoUth時，即u_u+，比較器輸出等于零， 即Uo=0 ；當(dāng)uiu-,比較器輸出Uo= + Vcc其傳輸特性如圖6-17 ( b)所示。疋：比較器的輸出發(fā)生跳變的條件是：Ui=Uth，通常將Uth稱為閾值電壓(或門檻電壓)。簡單電壓比較器的特點就是只有一個閾值電壓，當(dāng)輸入電壓在閾值電壓附近變化時， 輸出信號就會發(fā)生跳變。i十匕打一 C=十o5 o(a)電路(b)傳輸特性圖6-17反相輸入簡單電壓比較器2.滯回電壓比較器在簡單電壓比較

6、器的基礎(chǔ)上加正反饋就構(gòu)成了滯回電壓比較器，電路結(jié)構(gòu)如圖6-18 ( a)所示。圖中輸入信號從反相端輸入，反饋信號作用于同相端，為反相滯回比較器。滯回比較器有兩個閥值電壓U TH1和U TH2 , u TH2 U TH1 Uthi時輸出Uo不變，只輸入電壓ui從零增加的過程中，經(jīng)過 UTH2時輸出電壓uo不變，只有經(jīng)過 電壓Uo才產(chǎn)生躍變；反之，輸入電壓 U|減少的過程中，經(jīng)過 Uth1時輸出電壓 有經(jīng)過Uth2時輸出電壓Uo才產(chǎn)生躍變。6-18 ( b)當(dāng)輸入電壓Uth2UiUth1時，輸出電壓Uo保持原來狀態(tài)不變。傳輸特性如圖 所示。滯回比較器經(jīng)常被用來進行不規(guī)則信號的整形，將正弦波整形為方

7、波脈沖。AH110%gut(a)電路；(b)傳輸特性圖6-18 反向滯回電壓比較器3.窗口電壓比較器簡單電壓比較器和滯回電壓比較器的共同特點是：當(dāng)輸入電壓 電壓Uo只跳變一次，只能檢測一個電平，如果要判斷輸入電壓 該采用窗口比較器。窗口比較器是有兩個閾值電壓不等的簡單比較器組成的， 大的采用同相接法，電路如圖6-19 (a)所示。由圖中可以看出，兩個簡單比較器的閾值分別是Uthl和當(dāng)輸入電壓 Uthl UiU thh時，輸出電壓u=0,當(dāng)uiU THL THL 或 UI U THH ,輸出電壓 UO=V CC 6-19 (b)所示。1HK OI比卜MlVD1丄T E_ n *M21+4QmR（

8、a）電路圖（b）傳輸特性圖6-19 窗口比較器6.2.4集成運算放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用1. 集成運算放大器工作在線性區(qū)1）電橋信號放大電路的應(yīng)用6-20所示的電橋信號放大電路。如果需要對溫度、壓力或形變等進行檢測，可采用圖圖中電橋的一個臂是由傳感器構(gòu)成的。當(dāng)傳感器的阻值沒有變化時，即 R=0時，電橋平衡，電路輸出電壓 uo=0;當(dāng)傳感器 因溫度、壓力或其他變化而使傳感元件的電阻值發(fā)生變化時（用R表示），電橋就失去平衡，變化量變成了電信號而產(chǎn)生輸出電壓U。，輸出電壓uo 一般很小，需要經(jīng)過放大器進行汽車電噴發(fā)動機中，用來測量進氣壓力的進氣壓力傳感器就是由壓敏電阻和集成運放 制成的。這種傳感

9、器被美國通用汽車公司、日本豐田汽車公司等汽車公司廣發(fā)采用。該傳感器有一個通氣口與進氣管相通，進氣壓力通過該口加到壓力轉(zhuǎn)換元件上。壓力 轉(zhuǎn)換元件是由四個壓敏電阻構(gòu)成的硅膜片。硅膜片受壓變形后，電橋輸出信號，壓力越大， 輸出信號越強。該信號經(jīng)集成運算放大器放大后傳送給ECU，該進氣壓力傳感器與進氣溫度傳感器制成一體，其結(jié)構(gòu)如圖6-21（ a）所示，工作原理如圖 6-21（ b）所示。圖6-21壓敏電阻式進氣壓力傳感器2）光電測量電路光電二極管、光電三極管或其他光電器件能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。圖6-22所示為一種最簡單的光電測量電路。無光照時，光電二極管的反向電流很小。 有光照時，二極管有光電流流

10、過，光的照度越 大，光電流越大，經(jīng)過集成運放后，輸出電壓 UO=iRf。汽車自動空調(diào)控制系統(tǒng)中，用作檢測 日照量的傳感器就是經(jīng)過設(shè)置在 ECU內(nèi)部的上述電路進行信號放大的。2. 集成運算放大器工作在非線性區(qū)1）簡單電壓比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用（1）蓄電池電壓過低報警電路。蓄電池電壓過低報警電路由集成運算放大器、穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管及一些電阻組成。如圖6-23所示。在圖中，Ri=R2=R3=100K Q , R4=1K Q,穩(wěn)壓管VDz穩(wěn)壓值為5V, R?與穩(wěn)壓管組成電 壓基準(zhǔn)電路，向比較器提供5V的基準(zhǔn)電壓。R“ R3組成分壓電路，中間點作為電壓檢測點。 當(dāng)蓄電池電壓高于 10V時，比較器輸

11、出電壓為12V，發(fā)光二極管不發(fā)光，指示電壓正常。當(dāng)蓄電池電壓低于10V時，比較器輸出電壓為零，發(fā)光二極管發(fā)光，指示電壓過低。圖6-23 蓄電池電壓過低報警電路（2）電噴汽車氧傳感器。使用電噴發(fā)動機的主要目的是控制發(fā)動機在理論空燃比附近工作，保證排放合乎法規(guī)要求。氧傳感器在電噴發(fā)動機控制系統(tǒng)中承擔(dān)著向ECU傳遞發(fā)動機是否工作在理論空燃比附近的任務(wù)。在小于理論空燃比的濃混合氣燃燒時，排氣中的氧消耗殆盡，氧傳感器幾乎不產(chǎn)生電壓，在大于理論空燃比的稀混合氣燃燒時，排氣中還含有一部分多余的氧氣，氧傳感器產(chǎn)生大約1V左右的電壓?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)氧傳感器的輸出信號對噴油量進行修正?？刂葡到y(tǒng)規(guī)定，當(dāng)氧傳感器輸出電

12、壓大于0.5V時，認為混合氣過濃；小于0.5V時，認為混合氣過稀。氧傳感器與ECU之間就是通過簡單電壓比較器進行信號傳遞的。圖6-24所示為氧傳感器與 ECU連接。ECU設(shè)定0.45V為基準(zhǔn)電壓，當(dāng)氧傳感器信號電壓大于基準(zhǔn)電壓時，比較器輸出0V，ECU判斷混合氣過稀，增加噴油量；當(dāng)氧傳感器信號電壓小于基準(zhǔn)電壓時，比較器輸 出u 5V, ECU判斷混合氣過濃，減少噴油量。2）滯回比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用在汽車ABS （電控防抱死）系統(tǒng)中，車輪的速度是靠輪速傳感器來傳遞給ECU的?；魻栞喫賯鞲衅骶褪禽喫賯鞲衅鞯囊环N， 主要由與車輪或傳動系統(tǒng)連接在一起的觸發(fā)齒圈、霍爾元件、永久磁鐵和電子電路等組

13、成?；魻栐蜁a(chǎn)生11.5- 12 V的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)觸發(fā)齒圈隨著車輪旋轉(zhuǎn)時， 霍爾元件上的磁場會發(fā)生周期性變化, 毫伏級的正弦波電壓。將霍爾元件產(chǎn)生的微弱的正弦波信號放大整形為脈沖信號，就是通過由集成運放構(gòu)成的電子電路來實現(xiàn)的。電路原理如圖6-25所示。電路分四個部分：由霍爾元件構(gòu)成的信號產(chǎn)生部分；由Rf!組成的放大部分;由A2、R2、R3、Rf2組成的滯回比較器和三極管VT構(gòu)成的輸出級。穩(wěn)壓電路保證霍爾元件和比較器基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定不變。霍爾元件感受觸發(fā)齒輪轉(zhuǎn)動帶來的磁場變化而產(chǎn)生微弱的正 弦波信號，該信號經(jīng) A!放大器放大后，送到比較器 A2，電阻R R3向比較器A2提供了基準(zhǔn)電壓，A2輸出經(jīng)過滯

14、回整形的脈沖信號。Ua2控制輸出開關(guān)三極管，向外傳輸幅值達11.5 12V的脈沖信號。二極管 VD的作用是電源反接時，起保護作用。電容 C1、C2是穩(wěn)壓電路 的濾波電容。圖6-25 霍爾輪速傳感器電子電路原理圖3）窗口比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用在汽車充電系統(tǒng)電路中，當(dāng)電壓過低或過高時，報警器發(fā)出警報，這就是汽車充電系統(tǒng)電壓監(jiān)視器電路。電路如圖6-26所示。當(dāng)充電系統(tǒng)電壓大于 14.5V時，A1反相端檢測到的電壓和同相端檢測到的電壓都大于 基準(zhǔn)電壓，比較器 A1輸出電壓為零，三極管 VT1不能導(dǎo)通，LED1 （黃色）不亮；比較器A2輸出電壓為電源電壓，驅(qū)動三極管VT2導(dǎo)通，發(fā)光二極管 LED

15、2 （紅色）發(fā)光，指示電壓過高。當(dāng)充電系統(tǒng)電壓小于 12V時，Ai反相端檢測到的電壓和 A2同相端檢測到的電壓都小于 基準(zhǔn)電壓，比較器 A2輸出電壓為零，三極管 VT2不能導(dǎo)通，LED 2 （紅色）不亮；比較器 Ai輸出電壓為電源電壓，驅(qū)動三極管 VTi導(dǎo)通，發(fā)光二極管 LED!（黃色）發(fā)光，指示電壓 過低。當(dāng)電壓介于1214.5V之間時，Ai反相端檢測到的電壓大于基準(zhǔn)電壓，比較器Ai輸出電壓為零，三極管 VTi不能導(dǎo)通。A2同相端檢測到的電壓小于基準(zhǔn)電壓，比較器A2輸出電壓為零，三極管 VT2不能導(dǎo)通。LEDi （黃色）和LED 2 （紅色）都不亮，指示電壓正常。圖6-26汽車充電系統(tǒng)電壓監(jiān)

16、視器電路想一想反相比例運算電路中，既然0，那么將該反相輸入端真正接地能夠正常工作嗎?i_ 0，那么將該反相輸入端引線斷開能正常工作嗎？為什么？探究比較器的電壓傳輸特性與前面其他運算放大器有什么不同?【項目實施】蓄電池電壓過低報警電路一、實訓(xùn)內(nèi)容i了解集成運算放大器的結(jié)構(gòu)；2掌握集成運算放大器的工作原理；3掌握蓄電池電壓過低報警電路的工作原理。二、實訓(xùn)目的及要求i學(xué)生了解集成運算放大器的結(jié)構(gòu)和工作原理；2學(xué)生具備看圖接線的能力；3學(xué)生掌握分析電路的能力；4學(xué)生能夠具有調(diào)節(jié)阻值改變控制電壓的能力。三、實訓(xùn)工具及設(shè)備萬用表、導(dǎo)線、運算放大器LM74i和相關(guān)電阻電容、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓管、蓄電池、穩(wěn)壓電

17、源和THDL i型數(shù)字邏輯實驗箱。LM74i為高增益運算放大器，結(jié)構(gòu)如圖6-27所示。LM74i雙電源單集成運放為 8個引 腳的雙列直插式封裝。2腳是放大器的反相輸入端； 3腳是同相輸入端；6腳是輸出端；i 腳、5腳是放大交流信號時的電路調(diào)零端，汽車中不用；8腳是空腳；7腳接正電源；4腳接6.1圖6-3所示。負電源，在汽車中用作比較器時直接接搭鐵。管腳使用說明參照任務(wù)NCOU 1OA21 1I 7 |rnI 5 |丁8-41 111 土廠1 4 |O/ 1INIE十圖6-27運算放大器LM741管腳圖四、實訓(xùn)原理如圖6-23所示。五、實訓(xùn)步驟1在THDL 1型數(shù)字邏輯實驗箱中插入運算放大器LM

18、741芯片。.2.根據(jù)圖6-23接線。3把數(shù)字萬用表撥到直流電壓檔20V。4. 把穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)到12V，觀察發(fā)光二極管是否發(fā)光，把萬用表的低壓端放在芯片的引腳4上，另一端分別與芯片的引腳2、3、6和7相連，記錄下得到的電壓值。5. 把穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)到11V，觀察發(fā)光二極管是否發(fā)光，把萬用表的低壓端放在芯片的引腳4上，另一端分別與芯片的引腳2、3、6和7相連，記錄下得到的電壓值。6. 把穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)到9V，觀察發(fā)光二極管是否發(fā)光，把萬用表的低壓端放在芯片的引腳4上，另一端分別與芯片的引腳2、3、6和7相連，記錄下得到的電壓值。7. 把穩(wěn)壓器的電壓調(diào)到 12V，然后逐步使穩(wěn)壓

19、器的輸出電壓變小，觀察發(fā)光二極管開始 發(fā)光時的電壓，并記錄電壓值。六、思考討論題1. 簡要說明LM741的工作原理？2. 簡要說明LM741的各引腳的作用？3. 如果用蓄電池作為電源，能否使加在引腳3的電壓降低到10V以下，如何實現(xiàn)？4. 如果想改變控制電壓，如何實現(xiàn)？本章小結(jié)1. 集成運算放大器是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。2. 運算放大器的結(jié)構(gòu)一般由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路組成。3. 集成運算放大器的主要參數(shù)：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo、最大輸出電壓Uomax、輸入失調(diào) 電壓Ui。、輸入失調(diào)電流Iio、最大差模輸入電壓 Ujdmax、最大共模輸入電壓 Ubmax、差

20、模輸入 電阻rid、共模抑制比 Kcmr。4. 理想運算放大器指標(biāo)：開環(huán)電壓放大倍數(shù)：A s輸入電阻：rid T OO輸出電阻：r= 0共模抑制比：KcMr to4.“虛短”和“虛斷”是集成運算放大器在線性區(qū)的兩個重要結(jié)論。它是分析理想運放線性應(yīng)用時的基本依據(jù)。5. 把放大電路的輸出信號（電壓或電流）的一部分或大部分，通過某種電路（稱為反 饋電路） 送回輸入端， 從而影響輸入信號的過程稱為反饋。 反饋到輸入端的信號稱為反饋信 號。根據(jù)反饋信號是增強還是減弱輸入信號，反饋又分為正反饋和負反饋兩大類。6. 集成運算放大器的電壓傳輸特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)。 集成運算放大器的線性應(yīng)用是信號運算，可以構(gòu)成反向放大器、同相放