集成运算放大器在汽车电子中的应用.

本章主要介绍的内容有：●集成电路的基础知识●模拟信号运算电路●电压比较器●课题实验集成运算放大器应用第一节集成电路的基础知识本节主要介绍的内容有：●集成电路的分类●集成电路脚位序列的判定规则●集成电路的检测●集成电路的焊接一、集成电路的分类集成电路简称IC（IntegratedCircuit），是通过特殊的半导体工艺方法，把晶体管、电阻及电容等电路元器件和它们之间的连线，全部集成在同一块半导体基片上，最后再进行封装，做成一个完整的电路。集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路和模拟集成电路；按模拟集成电路的类型来分，则又有集成运算放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成数/模和模/数转换器以及集成锁相环等。二、集成电路脚位序列的判定规则汽车中的集成电路常用的外形有三种：单列直插式、双列直插式、四方扁平式，如图6-1-1所示。对于单列直接插式IC的脚位识别：打点或带小坑的为1脚，按从左到右的顺序数，如图中6-1-1（a）所示。对于双列直插式、四方扁平式的脚位识别：从起始脚开始，按逆时针方向数，一般打点或带小坑的为1脚，有的IC是以缺口槽为起始标志，正对缺口槽，左下脚就为1脚，如图6-1-1中（b）、6-1-1（c）所示。三、集成电路的检测集成电路出现故障一般是局部损坏，如击穿、开路、短路等。电源集成电路和功放芯片易损坏，存储器易出现软件故障，其它芯片有时会出现虚焊等。对于集成电路是否损坏，可通过从各个方面测试集成电路的工作状态，并与正常工作状态作比较的方法来判断。即测量集成电路各引脚的对地电压值和电阻值，其中测量电压值必须在电路处于工作状态下进行，测量电阻值则应在断电静态状态下进行，具体判断方法如下：1．检查集成电路各管脚对地的直流电压2．检查集成电路各脚对地电阻值3．用示波器检查集成电路的输入输出波形四、集成电路的焊接1．双列直插式集成电路的拆焊方法（1）拆卸方法可使用热风枪，也可使用电烙铁进行拆卸。①用热风枪拆卸对于脚位数目较多且脚位间距较大的IC，用烙铁拆卸不方便，一般使用热风枪进行拆卸。将热风枪的风力调到3档，温度也调到了3档，风嘴沿IC两边焊脚上移动加热，当焊锡熔化时，就可用镊子取下IC了。②用电烙铁拆卸具体操作是：用电烙铁把焊锡熔化加到IC两边的焊脚并短路（即左边短接在一起，右边短接在一起，电烙铁温度可调到最高），焊锡尽量多些，盖住每个焊脚（如图6-1-2所示），然后两边同时轮流加热即加热一下左边又加热一下右边，等焊锡全部熔化时，用镊子移开IC。用电烙铁把主板上多余的焊锡除掉并清理焊盘，把IC焊脚上多余的焊锡也清除掉，保证IC焊脚平整。2．四方扁平芯片拆焊方法（1）拆卸操作①开启热风枪并调节热风枪的气流与温度，一般温度调节在300℃～400℃之间，而气流方面根据喷嘴来定，如果是单喷嘴，气流档位设置在1-3档，其它喷嘴，气流可设置在4-6档，使用单喷嘴，温度档不可设置太高。②记下待拆卸IC的位置和方向，并在IC引脚上涂上适当的助焊剂。③手持热风枪手柄，使喷嘴对准IC各脚焊点来回移动加热，喷嘴不可触及集成电路块引脚，一般距离IC引脚上方6mm左右，如图6-1-3所示。④待IC脚焊锡点熔化时，用镊子移开IC，如图6-1-4所示。⑤清除取下集成电路后余锡及焊剂杂质（可用无水酒精或天那水清除焊剂杂质，用936电烙铁把电路板上的焊盘整理平整）如图6-1-5所示。（2）焊接操作①将拆卸下来的IC用无水酒精或天那水进行清洗，用烙铁将脚位焊平整，并放在带灯放大镜下检查脚位有无离位，有无痴锡短路，如有则重新进行处理，如是新买回的IC则不需此步处理。②将整理好的IC按原标志放回电路板上，检查所有引脚是否与相应的焊点对准，如有偏差，可适当移动芯片或整理有关的引脚。③把助焊剂涂在IC各脚上，用烙铁把IC芯片四个角位焊接定位。④用热风枪在集成模块各边引脚处来回移动逐一吹焊牢固，吹焊时要控制好风速，防止把模块吹移位，如发现模块位置稍有偏差，可待四周焊锡完全溶解后，用镊子将其轻推一下，即可复位，然后用镊子在IC上面轻轻向下压一下，使其与电路板接触良好，如图6-1-6所示。⑤清洗助焊剂，检查电路板上有无锡珠、锡丝引起的短路现象，待IC冷却后方可通电试机。当然焊接的时候，也可以不用热风枪而用电烙铁焊接，具体方法是：先用烙铁把IC芯片四个角位焊接定位，然后电烙铁加足焊锡和焊剂，温度调到450℃，烙铁头接触IC脚并顺着往同一个方向快速拖动，用拖焊的方法，把IC焊牢，如图6-1-7所示。第二节模拟信号运算电路本节主要介绍的内容有：●什么是集成运算放大器●集成运算放大器组成的几种基本放大器电路●集成运算放大器在汽车电子电路中的应用一、什么是集成运算放大器●术语概念：反馈：把电子系统的输出量（电压或电流）的一部分或全部，经过一定的电路送回到它的输入端，称为反馈。如果引入的反馈使放大电路的放大倍数降低，就称为负反馈；如果引入的反馈使放大电路的放大倍数增大，就称为正反馈。集成运算放大器的符号如图6-2-1所示。二、集成运算放大器组成的几种基本放大器电路1．反相放大器反相放大器电路如图6-2-2所示。输入信号uI经电阻R1加到反相输入端，同相输入端经R2接地，电阻Rf跨接在反相输入端和输出端之间，形成一个负反馈放大器。反相放大器的放大倍数：Af=-Rf/R1式中，Af为负值，表明集成运放输出电压与输入电压反相，所以叫反相放大器。而且，Af仅取决于Rf/R1的比值，而与集成运放本身无关。电阻R2叫平衡电阻，其作用是保证放大器稳定工作。2．同相放大器同相放大器电路如图6-2-3所示。输入信号uI经电阻R2加到同相输入端，反相输入端经R1接地，负反馈由电阻R，接到反相输入端而形成。放大倍数：Af=1+Rf/R1Af大于零，表明输出电压uO与输入电压uI同相。如果将R1=∞（开路）或Rf=0，则Af=1。构成的电路称为电压跟随器，如图6-2-4所示。电压跟随器一般作为信号与其负载之间的缓冲隔离。3．差分放大器如果两个输入端都有信号输入，就构成了差分放大器，如图6-2-4所示。差分放大器放大能是两个输入信号的差，输出电压uo与两个输入电压的关系是：uo=Af（uI1-uI2）放大倍数：Af=Rf/R1三、集成运算放大器在汽车电子电路中的应用1．电桥信号放大电路如果需要对温度、压力或形变等进行检测，可采用图6-2-6所示的电桥信号放大电路。图中电桥的一个臂是由传感器构成的。当传感器的阻值没有变化时，即△R=0时，电桥平衡，电路输出电压uO=0；当传感器因温度、压力或其他变化而使传感元件的电阻值发生变化时（用△R表示），电桥就失去平衡，变化量变成了电信号而产生输出电压uO，输出电压uO一般很小，需要经过放大器进行放大。汽车电喷发动机中，用来测量进气量的进气压力传感器就是由压敏电阻和集成运放制成的。这种传感器被美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司等汽车公司广泛采用，捷达型轿车也采用了该传感器。图6-2-7所示为压敏电阻式进气压力传感器的结构示意图和工作原理。该传感器有一个通气口与进气管相通，进气压力通过该口加到压力转换元件上。压力转换元件是由四个压敏电阻构成的硅膜片。硅膜片受压力变形后，电桥输出信号，压力越大，输出信号越强。该信号经集成运放放大后传送给ECU，该进气压传感器与进气温度传感器制成一体，它的外形如图6-2-8所示。2．光电测量电路光电二极管、光电三极管或其他光电器件能够将光信号转变为电信号。图6-2-9所示为一种最简单的光电测量电路。无光照时，光电二极管的反向电流很小。有光照时，二极管有光电流流过，光的照度越大，光电流越大，经过集成运放后，输出电压uO=iRf。汽车自动空调控制系统中，用作检测日照量的传感器就是经过设置在ECU内部的上述电路进行信号放大的。第三节电压比较器本节主要介绍的内容有：●几种典型电压比较器●电压比较器在汽车电子电路中的应用一、几种典型电压比较器1．LM741LM741双电源单集成运算放大器是美国国家半导体公司的产品，国内的相同型号是F741。引脚如图6-3-1所示。2．LM324LM324双电源四集成运算放大器是美国国家半导体公司的产品，国内的相同型号是F324。引脚如图6-3-2所示。3．LM339LM339单电源四比较器是美国国家半导体公司的产品，国内的相同型号是F339。引脚如图6-3-3所示。二、电压比较器在汽车电子电路中的应用1．简单电压比较器（1）基本电路简单电压比较器的电路如图6-3-4（a）所示，输入信号加在反相端，是一个反相输入电压比较器。UTH是基准电压，uI=u-，UTH=u+。当uIUTH时，即u-u+，比较器输出等于零，即uO=0；当uIUTH时，即u＋u-，比较器输出uO=＋VCC其传输特性如图6-3-4（b）所示。比较器的输出发生跳变的条件是：uI=UTH，通常将UTH称为阈值电压（或门槛电压）。简单电压比较器的特点就是只有一个阈值电压，当输入电压在阈值电压附近变化时，输出信号就会发生跳变。（2）简单电压比较器在汽车电子电路中的应用如图6-3-5所示为氧传感器与ECU连线原理图。●操作：如图6-3-6所示为蓄电池电压过低报警电路。该电路由集成运放LM741、稳压管、发光二极管及一些电阻组成。●进一步：如果基准电压UTH=0V，那么当输入信号等于零时，输出电压就会发生跳变，这种比较器又称为过零比较器，其电路和传输特性如图6-3-7所示。当输入信号从集成运放的同相端输入，基准信号从反相端输入时，就构成了一个同相输入电压比较器，其传输特性与反相输入电压比较器正好相反，如图6-3-8所示。●讨论：分析图6-3-8所示同相输入简单电压比较器的工作原理，画出传输特性。2．滞回电压比较器（1）基本电路在简单电压比较器的基础上加正反馈就构成了滞回电压比较器，电路结构如图6-3-9（a）所示。图中输入信号从反相端输入，反馈信号作用于同相端，为反相滞回比较器。滞回比较器有两个阀值电压UTH1=(RfUR+R2VCC)/(R2+Rf)UTH1=RfUR/(R2+Rf)当输入电压UTH2uIUTH1时，输出电压uO保持原来状态不变。传输特性如图6-3-9（b）所示。显然，用集成运放也可以构成同相输入滞回电压比较器，它的电路结构和传输特性如图6-3-10所示。●讨论：分析图6-3-10所示同相输入滞回电压比较器的工作原理。●提示：滞回比较器经常被用来进行不规则信号的整形，将正弦波整形为方波脉冲。（2）滞回比较器在汽车电子电路中的应用在汽车ABS（电控防抱死）系统中，车轮的速度是靠轮速传感器来传递给ECU的。霍尔轮速传感器就是轮速传感器的一种。它的结构如图6-3-11所示，主要由与车轮或传动系统连接在一起的触发齿圈、霍尔元件、永久磁铁和电子电路等组成。当触发齿圈随着车轮旋转时，霍尔元件上的磁场会发生周期性变化，霍尔元件就会产生毫伏级的正弦波电压，如图6-3-11所示。将霍尔元件产生的微弱的正弦波信号放大整形为11.5～12V的标准脉冲信号，就是通过由集成运放构成的电子电路来实现的。电路原理如图6-3-12所示。电路分四个部分：由霍尔元件构成的信号产生部分；由A1、R1、Rf1组成的放大部分；由A2、R2、R3、Rf2组成的滞回比较器和三极管VT构成的输出级。稳压电路保证霍尔元件和比较器基准电压的稳定不变。霍尔元件感受触发齿轮转动带来的磁场变化而产生微弱的正弦波信号（如图6-3-13所示），该信号经A1放大器放大后（如图6-3-12所示），送到比较器A2，电阻R2、R3向比较器A2提供了基准电压，A2输出经过滞回整形的脉冲信号（如图6-3-12所示）。UA2控制输出开关三极管，向外传输幅值达11.5～12V的脉冲信号。二极管VD的作用是电源反接时，起保护作用。电容C1、C2是稳压电路的滤波电容。3．窗口电压比较器（1）基本电路简单电压比较器和滞回电压比较器的共同特点是：当输入电压uI单方向变化时，输出电压uO只跳变一次，只能检测一个电平，如果要判断输入电压uI是