第六章 集成運(yùn)算放大器

1、1 了解集成運(yùn)算放大器的作用2 掌握集成運(yùn)算放大器的基本組成3 了解集成運(yùn)算放大器的電路特點(diǎn)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(yùn)算放大器的概念；集成運(yùn)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(huì)：分析集成運(yùn)算放大器電路；分析電壓比較器電路。一、什么集成運(yùn)算放大器術(shù)語(yǔ)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(guò)一定的電路送回到它的輸入端，稱(chēng)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(chēng)為負(fù)反饋；如果引入的反饋使放大電路的放大倍數(shù)增大，就稱(chēng)為正反饋。負(fù)反饋雖然降低了放大倍數(shù)，但是它對(duì)提高放大電路的工作穩(wěn)定性和改善電路性能指標(biāo)起到

2、了重要作用，一般多級(jí)放大電路都要引入負(fù)反饋。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，分立元件的多級(jí)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(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放)。 二二、集成運(yùn)算放大器組成的幾種基本放大器電路集成運(yùn)算放大器組成的幾種基本放大器電路通常集成運(yùn)放必須外接負(fù)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(shí)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(fù)值，表明集成運(yùn)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(yùn)放本身無(wú)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(kāi)路)或Rf=0，則Af=l。構(gòu)成的電路稱(chēng)為電壓跟隨器，如圖64所示。電壓跟隨器一般作為信號(hào)與其負(fù)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(gè)輸入端都有信號(hào)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(gè)輸入信號(hào)的差，輸出電壓uo與兩個(gè)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(chē)電子電路中，差分放大器常被用作傳感器信號(hào)放大器。將傳感器信號(hào)放大后，傳送到ECU。 三三、集成運(yùn)算放大器在汽車(chē)電子電路中的應(yīng)用集

4、成運(yùn)算放大器在汽車(chē)電子電路中的應(yīng)用 1電橋信號(hào)放大電路 如果需要對(duì)溫度、壓力或形變等進(jìn)行檢測(cè)，可采用圖66所示的電橋信號(hào)放大電路。圖中電橋的一個(gè)臂是由傳感器構(gòu)成的。 當(dāng)傳感器的阻值沒(méi)有變化時(shí)，即R=0時(shí)，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(shí)(用R表示)，電橋就失去平衡，變化量變成了電信號(hào)而產(chǎn)生輸出電壓uo，輸出電壓uo一般很小，需要經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大。 汽車(chē)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，用來(lái)測(cè)量進(jìn)氣量的進(jìn)氣壓力傳感器就是由壓敏電阻和集成運(yùn)放制成的。這種傳感器被美國(guó)通用汽車(chē)公司、日本豐田汽車(chē)公司等汽車(chē)公司廣泛采用，國(guó)產(chǎn)桑塔納2000Gli型轎車(chē)也采用了該傳

5、感器。圖67所示為壓敏電阻式進(jìn)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(chē)進(jìn)氣壓力傳感器的檢測(cè)。該進(jìn)氣壓力傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器制成一體，它的外形如圖68所示。用一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源調(diào)整到+5V輸出連接到端子3，負(fù)極連接到端子1。用萬(wàn)用表的電壓擋測(cè)量端子4和端子1之間的電壓，標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該是3.84.2V。真空槍接在進(jìn)氣壓力傳感器的通氣口上，并使其產(chǎn)生真空。這時(shí)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?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。圖6-9所示為一種最簡(jiǎn)單的光電測(cè)量電路。 無(wú)光照時(shí)，光電二極管的反向電流很小。有光照

6、時(shí)，二極管有光電流流過(guò)，光的照度越大，光電流越大，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放后，輸出電壓uo=iRf。汽車(chē)自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)中，用作檢測(cè)日照量的傳感器就是經(jīng)過(guò)設(shè)置在ECU內(nèi)部的上述電路進(jìn)行信號(hào)放大的。四、什么是電壓比較器 集成運(yùn)算放大器的一個(gè)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€(gè)輸入電壓大小進(jìn)行比較的一種集成運(yùn)放。它的兩個(gè)輸入電壓中，一個(gè)是基準(zhǔn)電壓，另一個(gè)是被比較的輸入電壓，當(dāng)兩個(gè)電壓不相等時(shí)，集成運(yùn)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(fù)電源供電，就等于負(fù)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(chē)電路中用于信號(hào)測(cè)量、越限報(bào)警等電路中。五、幾種典型電壓比較

7、器 集成運(yùn)放被用作電壓比較器時(shí)，常見(jiàn)于汽車(chē)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(gè)引腳。可以做放大器也可以做電壓比較器。7腳接正電源。4腳接負(fù)電源，在放大交流信號(hào)時(shí)接負(fù)電位信號(hào)，保證信號(hào)的完整性，在汽車(chē)電路中作放大器或電壓比較器時(shí)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(hào)時(shí)電路調(diào)零端，汽車(chē)電路中不用，8腳是空腳。 2、TM324LM324是雙列直插式封裝，一共14個(gè)引腳，可以用作放大器和電壓比較器。內(nèi)部是四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。11腳接正電源，4腳接負(fù)電源，

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

9、比較器輸出uO=VCC其傳輸特性如圖6-13(b)所示。2、簡(jiǎn)單電壓比較器在汽車(chē)電子電路中的應(yīng)用 電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要目的就是控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，氧傳感器承擔(dān)著向ECU 傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行修正。 控制系統(tǒng)規(guī)定，當(dāng)氧傳感器輸出電壓大于0.5V 時(shí)，認(rèn)為混合氣過(guò)濃；小于0.5V，認(rèn)為混合氣過(guò)稀。氧傳感器與ECU之間就是通過(guò)電壓比較器進(jìn)行信號(hào)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(guò)低報(bào)警電路。該電路由集成運(yùn)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(zhǔn)電路，向比較器提供5 V 的基準(zhǔn)電壓。R1、R3組成分壓電路，中間點(diǎn)作為電壓檢測(cè)點(diǎn)。當(dāng)蓄電池電壓高于10 V 時(shí)，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(dāng)蓄電池電壓低于10 V時(shí)，比較器輸出電壓為零，發(fā)光二極管發(fā)光，指示電壓過(guò)低。 如果基準(zhǔn)電壓UTH=0V，那么當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，輸出電壓就會(huì)發(fā)生跳變，這種比較器又稱(chēng)為過(guò)零比較器，其電路和傳輸特性如圖6-16 所示。 當(dāng)輸入信號(hào)從集成運(yùn)放的同相端輸入，基準(zhǔn)信號(hào)從反相端輸入時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)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(jiǎn)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(hào)從反相端輸入，反饋信號(hào)作用于同相端，為反相滯回比較器。 (2) 滯回比較器在汽車(chē)電子電路中的應(yīng)用 在汽車(chē)ABS(電控防抱死)系統(tǒng)中，車(chē)輪的速度是靠輪速傳感器來(lái)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(chē)輪或傳動(dòng)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(hào)放大整形為11.512V的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，就是通過(guò)由集成運(yùn)放構(gòu)成的電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路原理如圖6-

12、21所示。 電路分四個(gè)部分：由霍爾元件構(gòu)成的信號(hào)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(jí)。 霍爾元件感受觸發(fā)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生微弱的正弦波信號(hào)(如圖6-22所示)，該信號(hào)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(zhǔn)電壓，A2 輸出經(jīng)過(guò)滯回整形的脈沖信號(hào)(如圖6-22所示)。 3、窗口電壓比較器 (1) 基本電路簡(jiǎn)單電壓比較器和滯回電壓比較器的共同特點(diǎn)是：當(dāng)輸入電壓 uI 單方向變化時(shí)，輸出電壓uO只跳變一次，只能檢測(cè)一個(gè)電平，如果要判斷輸入電壓 uI 是否在兩個(gè)電平之間，應(yīng)該采用窗口比較器。 窗口比較器是有兩個(gè)閾值電壓不等的簡(jiǎn)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(chē)電子電路中的應(yīng)用 在汽車(chē)充電系統(tǒng)電路中，當(dāng)電壓過(guò)低或過(guò)高時(shí)，報(bào)警