第六章 集成運算放大器

1、1 了解集成運算放大器的作用2 掌握集成運算放大器的基本組成3 了解集成運算放大器的電路特點4 了解電壓比較器的特性5 掌握分析電壓比較器電路的方法應(yīng)知：集成運算放大器的概念；集成運算放大器的基本工作原理； 電壓比較器的基本工作原理。應(yīng)會：分析集成運算放大器電路；分析電壓比較器電路。一、什么集成運算放大器術(shù)語概念：反饋：把電子系統(tǒng)的輸出量(電壓或電流)的一部分或全部，經(jīng)過一定的電路送回到它的輸入端，稱為反饋。如果引入的反饋使放大電路的放大倍數(shù)降低，就稱為負反饋；如果引入的反饋使放大電路的放大倍數(shù)增大，就稱為正反饋。負反饋雖然降低了放大倍數(shù)，但是它對提高放大電路的工作穩(wěn)定性和改善電路性能指標起到

2、了重要作用，一般多級放大電路都要引入負反饋。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，分立元件的多級放大器已經(jīng)被集成在一塊半導(dǎo)體芯片內(nèi)，構(gòu)成了集成運算放大器(簡稱集成運放)。 二二、集成運算放大器組成的幾種基本放大器電路集成運算放大器組成的幾種基本放大器電路通常集成運放必須外接負反饋網(wǎng)絡(luò)，才能正常工作。根據(jù)輸入方式的不同，構(gòu)成三種最基本的實用放大器電路，成為其他各種應(yīng)用電路的基礎(chǔ)。1反相放大器反相放大器的放大倍數(shù) Af = - Rf/R1 式中，Af為負值，表明集成運放輸出電壓與輸入電壓反相，所以叫反相放大器。而且，Af僅取決于Rf/R1的比值，而與集成運放本身無關(guān)。電阻R：叫平衡電阻，其作用是保證放大器穩(wěn)定工

3、作。 2同相放大器Af大于零，表明輸出電壓uo與輸入電壓u1同相。如果將R1=(開路)或Rf=0，則Af=l。構(gòu)成的電路稱為電壓跟隨器，如圖64所示。電壓跟隨器一般作為信號與其負載之間的緩沖隔離。 放大倍數(shù):Af = 1 + Rf / R12差分放大器如果兩個輸入端都有信號輸入，就構(gòu)成了差分放大器，如圖65所示。差分放大器放大能是兩個輸入信號的差，輸出電壓uo與兩個輸入電壓的關(guān)系是 放大倍數(shù)為Af = Rf / R1U0= Af ( uI11-uI12 )提示：在汽車電子電路中，差分放大器常被用作傳感器信號放大器。將傳感器信號放大后，傳送到ECU。 三三、集成運算放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用集

4、成運算放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用 1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66所示的電橋信號放大電路。圖中電橋的一個臂是由傳感器構(gòu)成的。 當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uo，輸出電壓uo一般很小，需要經(jīng)過放大器進行放大。 汽車電噴發(fā)動機中，用來測量進氣量的進氣壓力傳感器就是由壓敏電阻和集成運放制成的。這種傳感器被美國通用汽車公司、日本豐田汽車公司等汽車公司廣泛采用，國產(chǎn)桑塔納2000Gli型轎車也采用了該傳

5、感器。圖67所示為壓敏電阻式進氣壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理。 操作：桑塔納2000Gli轎車進氣壓力傳感器的檢測。該進氣壓力傳感器與進氣溫度傳感器制成一體，它的外形如圖68所示。用一臺直流穩(wěn)壓電源調(diào)整到+5V輸出連接到端子3，負極連接到端子1。用萬用表的電壓擋測量端子4和端子1之間的電壓，標準值應(yīng)該是3.84.2V。真空槍接在進氣壓力傳感器的通氣口上，并使其產(chǎn)生真空。這時端子4、1間的電壓應(yīng)在0.81.3V之間，而且電壓隨著真空度的加大而升高。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6-9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

6、時，二極管有光電流流過，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。四、什么是電壓比較器 集成運算放大器的一個特殊應(yīng)用就是構(gòu)成電壓比較器。電壓比較器是能夠?qū)蓚€輸入電壓大小進行比較的一種集成運放。它的兩個輸入電壓中，一個是基準電壓，另一個是被比較的輸入電壓，當兩個電壓不相等時，集成運放輸出的電壓不是等于正電源電壓就是等于零(如果采取正負電源供電，就等于負電源電壓)。即在輸出端只輸出兩種電壓值，或者正電源電壓，或者零。在汽車電路中用于信號測量、越限報警等電路中。五、幾種典型電壓比較

7、器 集成運放被用作電壓比較器時，常見于汽車電子電路中。最常用的比較器有以下幾種：LM741、LM324和LM339。1、LM741LM741是雙列直插式封裝，一共8個引腳?？梢宰龇糯笃饕部梢宰鲭妷罕容^器。7腳接正電源。4腳接負電源，在放大交流信號時接負電位信號，保證信號的完整性，在汽車電路中作放大器或電壓比較器時直接搭鐵。2腳是放大器的反相輸入端，3腳是同相輸入端，6腳是放大器輸出端，1、5腳是在放大交流信號時電路調(diào)零端，汽車電路中不用，8腳是空腳。 2、TM324LM324是雙列直插式封裝，一共14個引腳，可以用作放大器和電壓比較器。內(nèi)部是四個獨立的運算放大器。11腳接正電源，4腳接負電源，

8、在汽車電路中作比較器時，4腳搭鐵。四個比較器可以單獨使用，但使用時一定要加上電源。 3、LM339LM339是雙列直插式封裝，一共14個引腳，它專用作電壓比較器。內(nèi)部是四個獨立比較器，而且只需接單電源。3腳接正電源，12腳搭鐵。四個比較器可以單獨使用。 六、電壓比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用 比較器最常見的應(yīng)用電路有三種形式：簡單電壓比較器、滯回電壓比較器和窗口比較器。1、簡單電壓比較器(1) 基本電路 簡單電壓比較器的電路如圖6-13(a)所示，輸入信號加在反相端，是一個反相輸入電壓比較器。UTH是基準電壓，uI=u，UTH=u。當uIUTH時，即uu，比較器輸出等于零，即uO=0；當uIu，

9、比較器輸出uO=VCC其傳輸特性如圖6-13(b)所示。2、簡單電壓比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用 電噴發(fā)動機的主要目的就是控制發(fā)動機在理論空燃比附近工作，保證排放合乎法規(guī)要求。在電噴發(fā)動機閉環(huán)控制系統(tǒng)中，氧傳感器承擔著向ECU 傳遞發(fā)動機是否工作在理論空燃比附近的任務(wù)?？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。 控制系統(tǒng)規(guī)定，當氧傳感器輸出電壓大于0.5V 時，認為混合氣過濃；小于0.5V，認為混合氣過稀。氧傳感器與ECU之間就是通過電壓比較器進行信號傳遞的。如圖6-14 所示為氧傳感器與ECU連線原理圖。2、操作 如圖6-15 所示為蓄電池電壓過低報警電路。該電路由集成運放LM741、

10、穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管及一些電阻組成。電阻R2與穩(wěn)壓管VZ組成電壓基準電路，向比較器提供5 V 的基準電壓。R1、R3組成分壓電路，中間點作為電壓檢測點。當蓄電池電壓高于10 V 時，比較器輸出電壓為12V，發(fā)光二極管不發(fā)光，指示電壓正常；當蓄電池電壓低于10 V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。 如果基準電壓UTH=0V，那么當輸入信號等于零時，輸出電壓就會發(fā)生跳變，這種比較器又稱為過零比較器，其電路和傳輸特性如圖6-16 所示。 當輸入信號從集成運放的同相端輸入，基準信號從反相端輸入時，就構(gòu)成了一個同相輸入電壓比較器，其傳輸特性與反相輸入電壓比較器正好相反，如圖 6-17

11、所示。 2、滯回電壓比較器 (1) 基本電路 在簡單電壓比較器的基礎(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。 (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。它的結(jié)構(gòu)如圖6-20 所示，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成。 將霍爾元件產(chǎn)生的微弱的正弦波信號放大整形為11.512V的標準脈沖信號，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-

12、21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 A1、R1、Rf1 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。 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(如圖6-22所示)，該信號經(jīng)A1 放大器放大后(如圖6-22所示)，送到比較器 A2，電阻 R2、R3 向比較器A2 提供了基準電壓，A2 輸出經(jīng)過滯回整形的脈沖信號(如圖6-22所示)。 3、窗口電壓比較器 (1) 基本電路簡單電壓比較器和滯回電壓比較器的共同特點是：當輸入電壓 uI 單方向變化時，輸出電壓uO只跳變一次，只能檢測一個電平，如果要判斷輸入電壓 uI 是否在兩個電平之間，應(yīng)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，閾值小的采用反相接法，閾值大的采用同相接法，電路如圖6-23(a)所示。 (2) 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，當電壓過低或過高時，報警