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第六章集成运算放大器学习目标1．了解集成运算放大器的作用2．掌握集成运算放大器的基本组成3．了解集成运算放大器的电路特点4．了解电压比较器的特性5．掌握分析电压比较器电路的方法学习要求应知：集成运算放大器的概念；集成运算放大器的基本工作原理；电压比较器的基本工作原理。应会：分析集成运算放大器电路；分析电压比较器电路。一、什么集成运算放大器•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。•负反馈虽然降低了放大倍数，但是它对提高放大电路的工作稳定性和改善电路性能指标起到了重要作用，一般多级放大电路都要引入负反馈。随着电子技术的不断发展，分立元件的多级放大器已经被集成在一块半导体芯片内，构成了集成运算放大器(简称集成运放)。二、集成运算放大器组成的几种基本放大器电路•通常集成运放必须外接负反馈网络，才能正常工作。根据输入方式的不同，构成三种最基本的实用放大器电路，成为其他各种应用电路的基础。1．反相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R：叫平衡电阻，其作用是保证放大器稳定工作。2．同相放大器Af大于零，表明输出电压uo与输入电压u1同相。如果将R1=∞(开路)或Rf=0，则Af=l。构成的电路称为电压跟随器，如图6—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。放大倍数:Af=1+Rf/R12．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—5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放大倍数为Af=Rf/R1U0=Af(uI11-uI12)提示：在汽车电子电路中，差分放大器常被用作传感器信号放大器。将传感器信号放大后，传送到ECU。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—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，国产桑塔纳2000Gli型轿车也采用了该传感器。图6—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。操作：桑塔纳2000Gli轿车进气压力传感器的检测。该进气压力传感器与进气温度传感器制成一体，它的外形如图6—8所示。用一台直流稳压电源调整到+5V输出连接到端子3，负极连接到端子1。用万用表的电压挡测量端子4和端子1之间的电压，标准值应该是3.8～4.2V。真空枪接在进气压力传感器的通气口上，并使其产生真空。这时端子4、1间的电压应在0.8～1.3V之间，而且电压随着真空度的加大而升高。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6-9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。四、什么是电压比较器集成运算放大器的一个特殊应用就是构成电压比较器。电压比较器是能够对两个输入电压大小进行比较的一种集成运放。它的两个输入电压中，一个是基准电压，另一个是被比较的输入电压，当两个电压不相等时，集成运放输出的电压不是等于正电源电压就是等于零(如果采取正负电源供电，就等于负电源电压)。即在输出端只输出两种电压值，或者正电源电压，或者零。在汽车电路中用于信号测量、越限报警等电路中。五、几种典型电压比较器集成运放被用作电压比较器时，常见于汽车电子电路中。最常用的比较器有以下几种：LM741、LM324和LM339。1、LM741LM741是双列直插式封装，一共8个引脚。可以做放大器也可以做电压比较器。7脚接正电源。4脚接负电源，在放大交流信号时接负电位信号，保证信号的完整性，在汽车电路中作放大器或电压比较器时直接搭铁。2脚是放大器的反相输入端，3脚是同相输入端，6脚是放大器输出端，1、5脚是在放大交流信号时电路调零端，汽车电路中不用，8脚是空脚。2、TM324LM324是双列直插式封装，一共14个引脚，可以用作放大器和电压比较器。内部是四个独立的运算放大器。11脚接正电源，4脚接负电源，在汽车电路中作比较器时，4脚搭铁。四个比较器可以单独使用，但使用时一定要加上电源。3、LM339LM339是双列直插式封装，一共14个引脚，它专用作电压比较器。内部是四个独立比较器，而且只需接单电源。3脚接正电源，12脚搭铁。四个比较器可以单独使用。六、电压比较器在汽车电子电路中的应用比较器最常见的应用电路有三种形式：简单电压比较器、滞回电压比较器和窗口比较器。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6-13(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6-13(b)所示。2、简单电压比较器在汽车电子电路中的应用电喷发动机的主要目的就是控制发动机在理论空燃比附近工作，保证排放合乎法规要求。在电喷发动机闭环控制系统中，氧传感器承担着向ECU传递发动机是否工作在理论空燃比附近的任务。控制系统根据氧传感器的输出信号对喷油量进行修正。控制系统规定，当氧传感器输出电压大于0.5V时，认为混合气过浓；小于0.5V，认为混合气过稀。氧传感器与ECU之间就是通过电压比较器进行信号传递的。如图6-14所示为氧传感器与ECU连线原理图。2、操作如图6-15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。电阻R2与稳压管VZ组成电压基准电路，向比较器提供5V的基准电压。R1、R3组成分压电路，中间点作为电压检测点。当蓄电池电压高于10V时，比较器输出电压为12V，发光二极管不发光，指示电压正常；当蓄电池电压低于10V时，比较器输出电压为零，发光二极管发光，指示电压过低。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6-16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6-17所示。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6-18(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。(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6-20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。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6-21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。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6-22所示)，该信号经A1放大器放大后(如图6-22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6-22所示)。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是否在两个电平之间，应该采用窗口比较器。窗口比较器是有两个阈值电压不等的简单比较器组成的，阈值小的采用反相接法，阈值大的采用同相接法，电路如图6-23(a)所示。(2)窗口比较器在汽车电子电路中的应用在汽车充电系统电路中，当电压过低或过高时，报警器发出警报，这就是汽车充电系统电压监视器电路。电路如图6-24所示。电路主要是由LM339构成的一个窗口比较器。基准电压由R1和VZ组成的稳压电路组成，VZ的稳压值是6V。基准电压分别接在A1的正向端和A2的反相端。E接在汽车充电系统电源上。电路调试时，先用14.5V的电压作电源电压，调整电位器RP2，使比较器A2正好翻转。然后改用12V电源，调整电位器RP1使比较器A1正好翻转。