汽车电工电子技术学习情境6汽车集成运算放大器任务2 反馈在放大电路中应用Word下载.docx

汽车电工电子技术学习情境6汽车集成运算放大器任务2 反馈在放大电路中应用Word下载.docx

《汽车电工电子技术学习情境6汽车集成运算放大器任务2 反馈在放大电路中应用Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车电工电子技术学习情境6汽车集成运算放大器任务2 反馈在放大电路中应用Word下载.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

“虚地”与真正的“地”区别在于：

“虚地”点的电位近似为零，而不是真正地为零；

电流不流进“虚地”，而是从“虚地”点绕行。

于是得

if=

=-

i1=

=

if=i1

故闭环放大倍数为

（6-8）

式中的“-”表示输入信号从反相端引入时，输出电压与输入电压相反。

uo与ui的比例关系，只与Rf和R1有关，而与放大器本身参数无关。

当Rf=R1时，uo=-ui，实现了反相功能（称为反相器或反号器）。

　如图6-12所示是加法运算电路，它是在反相比例运算电路基础上改造而成的。

　由图可列出：

图6-12反相加法电路

又因u-=u+=0，if=i1+i2+i3，得

if=

（6-9）

当R11=R12=R13=R时，则

设Rf=R，则

（6-10）

平衡电阻

可见，加法电路的输入电压与输出电压之和成正比关系。

电路的稳定性与精度都取决于外接电阻的质量，与放大器本身无关。

2.同相放大器

　　同相放大器电路如图6-13所示。

图中Rf为负反馈电阻；

R2为输入端电阻,起限流保护作用，为使电路对称，取R2=Rf，ui为加在同相输入端上的电压（反相输入端接地）；

输入信号加到同相输入端，反馈信号通过Rf加到反相输入端。

图6-13同相放大器

因为u-=u+,故得

又因为i-=i+≈0，得

故闭环放大倍数为

（6-11）

上式说明：

Aif是大于或等于1的正数，uo与ui同相且成比例关系。

在同相输入放大电路中，断开R1，即R1=∞，Ai=1，uo=ui，输出电压随输入电压变化，该电路为电压跟随器。

如图6-14所示。

图6-14电压跟随器

　例6.4在如图6-13所示的同相放大器电路中，已知R1=200kΩ，Rf=200kΩ，ui=1V，求开环电压放大倍数Aif和输出电压uo，该电路的R2阻值应选多大？

解开环电压放大倍数为

Aif=1+

=1+200/200=2

输出电压uo为

uo=Aif×

ui=2×

1V=2V

R2的阻值应选为

R2=R1∥Rf=200∥200=100（kΩ）

3.差分放大器

差分放大器如图6-15所示。

两个信号Ui1、Ui2分别通过R1、R2加到反相端和同相端。

输出信号通过与R3匹配的电阻Rf反馈到反相输入端，从而构成闭环反馈电路。

这种输入方式的差模特性，虽然可以等效为同相输入与反相输入的叠加，但它的共模特性具有反相输入与同相输入不可包含的特殊性。

因此，把它看作是运放应用的基本输入之一。

它可以由一块运放组成，也可由两块以上的运放组成。

为了保证输入端平衡工作和提高共模抑制比，选取电路参数R1=R2，R3＝Rf。

图6-15差分放大器

由于运放工作在线性区，所以可以利用叠加原理求得。

　　当ui2=0时，电路为反相输入放大电路，由（6-8）可以得到ui1单独作用时的电压

当ui1=0时，电路为同相输入放大电路，由（6-11）可以得到ui2单独作用时的电压

当ui2和ui1同时作用时的输出电压是

（6-12）

若R1=R2，R3=Rf

则：

u0=

（ui2-ui1）

若R1=R2=R3=Rf

uo=ui2-ui1（6-13）

上式说明：

输出电压等于两个输入电压之差。

4.积分器

将如图6-11所示的反相放大器的反馈电阻Rf换成电容Cf作为反馈元件，就成为积分器，如图6-16所示。

根据分析理想运放工作在线性区的两个重要概念，可知：

u-=u+=0（“虚短”概念）

i-=i+=0（“虚断”概念）

i1=

iC=if=i1

u0=-Uc=-

∫iCdt=-

∫

dt=-

∫u1dt（6-14）

R1Cf称为积分时间常数，越大，达到uo值所需的时间越长。

积分运算电路除了用来进行积分运算、组成波形发生器外，在自动控制系统中常用来组成调节器。

图6-16积分运算电路

6.2.3比较器

当集成运算放大器工作在非线性饱和区时，它就构成了各种比较器。

在汽车电路中最常见的是简单电压比较器、滞回电压比较器和窗口电压比较器。

1.简单电压比较器

简单电压比较器的电路如图6-17（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uI>

UTH时，即u->

u+，比较器输出等于零，即uO=0；

当uI<

UTH时，即u＋>

u-，比较器输出uO=＋VCC其传输特性如图6-17（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。

（a）电路（b）传输特性

图6-17反相输入简单电压比较器

2.滞回电压比较器

　　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。

滞回比较器有两个阀值电压UTH1和UTH2，UTH2<

UTH1。

输入电压uI从零增加的过程中，经过UTH2时输出电压uO不变，只有经过UTH1时输出电压uO才产生跃变；

反之，输入电压uI减少的过程中，经过UTH1时输出电压uO不变，只有经过UTH2时输出电压uO才产生跃变。

当输入电压UTH2<

uI<

UTH1时，输出电压uO保持原来状态不变。

传输特性如图6-18（b）所示。

　　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。

（a）电路；

（b）传输特性

图6-18反向滞回电压比较器

3．窗口电压比较器

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6-19（a）所示。

由图中可以看出，两个简单比较器的阈值分别是UTHL和UTHH而且UTHH>

UTHL。

当输入电压UTHL<

UTHH时，输出电压uO=0，当uI<

UTHL或uI>

UTHH，输出电压uO=VCC。

UTHL和UTHH是窗口比较器的两个阈值电压。

其传输特性如图6-19（b）所示。

（a）电路图　　　（b）传输特性

图6-19窗口比较器

6.2.4集成运算放大器在汽车电子电路中的应用

1.集成运算放大器工作在线性区

1）电桥信号放大电路的应用

如果需要对温度、压力或形变等进行检测，可采用图6-20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。

图6-20电桥信号放大电路

汽车电喷发动机中，用来测量进气压力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发采用。

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。

该信号经集成运算放大器放大后传送给ECU，该进气压力传感器与进气温度传感器制成一体，其结构如图6-21（a）所示，工作原理如图6-21（b）所示。

图6-21压敏电阻式进气压力传感器

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6-22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。

图6-22光电测量电路

2.集成运算放大器工作在非线性区

1）简单电压比较器在汽车电子电路中的应用

（1）蓄电池电压过低报警电路。

蓄电池电压过低报警电路由集成运算放大器、稳压管、发光二极管及一些电阻组成。

如图6-23所示。

在图中，R1=R2=R3=100KΩ，R4=1KΩ，稳压管VDZ稳压值为5V，R2与稳压管组成电压基准电路，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。

图6-23蓄电池电压过低报警电路

（2）电喷汽车氧传感器。

使用电喷发动机的主要目的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。

氧传感器在电喷发动机控制系统中承担着向ECU传递发动机是否工作在理论空燃比附近的任务。

在小于理论空燃比的浓混合气燃烧时，排气中的氧消耗殆尽，氧传感器几乎不产生电压，在大于理论空燃比的稀混合气燃烧时，排气中还含有一部分多余的氧气，氧传感器产生大约1V左右的电压。

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时，认为混合气过稀。

氧传感器与ECU之间就是通过简单电压比较器进行信号传递的。

图6-24所示为氧传感器与ECU连接。

ECU设定0.45V为基准电压，当氧传感器信号电压大于基准电压时，比较器输出uo≈0V，ECU判断混合气过稀，增加喷油量；

当氧传感器信号电压小于基准电压时，比较器输出uo≈5V，ECU判断混合气过浓，减少喷油量。

图6-24氧传感器与ECU连接。

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，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。

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6-25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，该信号经A1放大器放大后，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。

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。

图6-25霍尔轮速传感器电子电路原理图

3）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6-26所示。

　　当充电系统电压大于14.5V时，A1反相端检测到的电压和同相端检测到的电压都大于基准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通，LED1（黄色）不亮；

比较器A2输出电压为电源电压，驱动三极管VT2导通，发光二极管LED2（红色）发光，指示电压过高。

　　当充电系统电压小于12V时，A1反相端检测到的电压和A2同相端检测到的电压都小于基准电压，比较器A2输出电压为零，三极管VT2不能导通，LED2（红色）不亮；

比较器A1输出电压为电源电压，驱动三极管VT1导通，发光二极管LED1（黄色）发光，指示电压过低。

　　当电压介于12～14.5V之间时，A1反相端检测到的电压大于基准电压，比较器A1输出电压为零，三极管VT1不能导通。

A2同相端检测到的电压小于基准电压，比较器A2输出电压为零，三极管VT2不能导通。

LED1（黄色）和LED2（红色）都不亮，指示电压正常。

图6-26汽车充电系统电压监视器电路

想一想

反相比例运算电路中，既然u-≈0，那么将该反相输入端真正接地能够正常工作吗？

i-≈0，那么将该反相输入端引线断开能正常工作吗？

为什么？

探究

比较器的电压传输特性与前面其他运算放大器有什么不同？

【项目实施】

蓄电池电压过低报警电路

一、实训内容

1.了解集成运算放大器的结构；

2.掌握集成运算放大器的工作原理；

3.掌握蓄电池电压过低报警电路的工作原理。

二、实训目的及要求

1.学生了解集成运算放大器的结构和工作原理；

2.学生具备看图接线的能力；

3.学生掌握分析电路的能力；

4.学生能够具有调节阻值改变控制电压的能力。

三、实训工具及设备

万用表、导线、运算放大器LM741和相关电阻电容、发光二极管、稳压管、蓄电池、稳压电源和THDL—1型数字逻辑实验箱。

LM741为高增益运算放大器，结构如图6-27所示。

LM741双电源单集成运放为8个引脚的双列直插式封装。

2脚是放大器的反相输入端；

3脚是同相输入端；

6脚是输出端；

1脚、5脚是放大交流信号时的电路调零端，汽车中不用；

8脚是空脚；

7脚接正电源；

4脚接负电源，在汽车中用作比较器时直接接搭铁。

管脚使用说明参照任务6.1图6-3所示。

图6-27运算放大器LM741管脚图

四、实训原理

如图6-23所示。

五、实训步骤

1.在THDL—1型数字逻辑实验箱中插入运算放大器LM741芯片。

.2.根据图6-23接线。

3.把数字万用表拨到直流电压档20V。

4.把稳压器的输出电压调节到12V，观察发光二极管是否发光，把万用表的低压端放在芯片的引脚4上，另一端分别与芯片的引脚2、3、6和7相连，记录下得到的电压值。

5.把稳压器的输出电压调节到11V，观察发光二极管是否发光，把万用表的低压端放在芯片的引脚4上，另一端分别与芯片的引脚2、3、6和7相连，记录下得到的电压值。

6.把稳压器的输出电压调节到9V，观察发光二极管是否发光，把万用表的低压端放在芯片的引脚4上，另一端分别与芯片的引脚2、3、6和7相连，记录下得到的电压值。

7.把稳压器的电压调到12V，然后逐步使稳压器的输出电压变小，观察发光二极管开始发光时的电压，并记录电压值。

六、思考讨论题

1.简要说明LM741的工作原理？

2.简要说明LM741的各引脚的作用？

3.如果用蓄电池作为电源，能否使加在引脚3的电压降低到10V以下，如何实现？

4.如果想改变控制电压，如何实现？

本章小结

1.集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

2.运算放大器的结构一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成。

3.集成运算放大器的主要参数：

开环电压放大倍数Auo、最大输出电压Uomax、输入失调电压Uio、输入失调电流Iio、最大差模输入电压Uidmax、最大共模输入电压Uicmax、差模输入电阻rid、共模抑制比KCMR。

4.理想运算放大器指标：

开环电压放大倍数：

Auo→∞

输入电阻：

rid→∞

输出电阻：

ro＝0

共模抑制比：

KCMR→∞

4.“虚短”和“虚断”是集成运算放大器在线性区的两个重要结论。

它是分析理想运放线性应用时的基本依据。

5.把放大电路的输出信号（电压或电流）的一部分或大部分，通过某种电路（称为反馈电路）送回输入端，从而影响输入信号的过程称为反馈。

6.集成运算放大器的电压传输特性分为线性区和非线性区。

集成运算放大器的线性应用是信号运算，可以构成反向放大器、同相放大器、加法器、差分放大器、积分器。

反向放大器是负反馈电路，信号从反相输入端输入，输出电压与输入电压成正比，且相位相反；

同相放大器也是负反馈电路，信号从同相端输入，输出电压与输入电压成正比，且相位相同；

差分放大器实质是减法电路。

集成运算放大器的非线性应用主要是信号产生及波形变换，其基本电路就是比较器。

它分为简单电压比较器、滞回电压比较器、窗口电压比较器。

简单电压比较器只有一个阈值电压UTH，在输入电压增大或减少的过程中只要经过UTH，输出电压就跃变，它的结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差；

滞回电压比较器有两个阈值电压，输入电压在两个阈值电压之间时电压保持不变，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。

窗口电压比较器也有两个阈值电压，它具有较好的抗扰能力。

7.集成运算放大器在汽车电子电路中的应用：

电桥信号放大电路的应用、光电测量电路、.蓄电池电压过低报警电路、电喷汽车氧传感器、霍尔轮速传感器电子电路、汽车充电系统电压监视器电路。

习题

1.判断下列说法是否正确：

（1）由于集成运放是直接耦合放大电路，因此只能放大直流信号，不能放大交流信号。

（）

（2）不论工作在线性放大状态还是非线性状态，理想运放的反相输入端与同相输入端之间的电位差都为零。

（）

2.简述理想运算放大器的“虚短”和“虚断”的概念。

3.如果引入的反馈信号_____________外加输入信号的作用，使放大倍数______________，称为正反馈。

4.简述图6-26汽车充电系统电压监视器电路的工作原理。

5.小结“任务2”。