1、汽车电工汽车电工电子技术电子技术汽车集成运算放大器汽车集成运算放大器项目六项目六任务一任务一 运算放大器认知运算放大器认知一、基本概念一、基本概念（一）运算放大器（一）运算放大器 在半导体制造工艺的基础上，将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路，英文简称IC。集成电路的体积小，性能高，按其功能不同可以分为数字集成电路和模拟集成电路两种。（a）外形 （b）管脚 图6-1 集成运算放大电路的外形与管脚图 如图6-1（b）所示的管脚图中含有三个引线端，分别是同相输入端u+、反相输入端u-和输出端uo。集成运算放大器一般采用金属封装，封装的材料有陶瓷、金属和塑料等
2、。形状有圆壳式、双列直插式和扁平式等，其外形和管脚如图6-1所示。图6-2 LM324的实际引脚图 符号中的“”或“”只是接线端的名称，与实际所接的电压极性无关。集成运算放大器符号的含义对应于实际产品的引脚，如图6-2所示。（二）零点漂移（二）零点漂移 零点漂移简称零漂，它是指当输入信号电压为零时，输出电压不为零，且缓慢变化的现象。产生零点漂移的原因有晶体管参数随温度而变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等。零点漂移的危害是会直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，让人无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。（三）集成运放输入级与差分放大器（三）集成运放输入级
3、与差分放大器基本差分放大器电路如图6-3所示。图6-3 基本差分放大器电路 当静态输入信号 时，由于组成差分放大器电路的两个三极管处于完全对称的状态，两管的电流相等，集电极电位也相等，即i0U ii1i20UUUC1C2IIo1o2UU故输出电压为oo1o20UUU（6-1）（四）共模信号与差模信号（四）共模信号与差模信号 当放大电路的两输入端输入的信号幅值大小相等、极性相同时，这两个输入信号称为共模信号，记作 ，下标c表示共模，即icuicic1ic2uuu 此输入方式称为共模输入。在共模输入时，由于电路的完全对称性，在输出端也得到完全一致的输出信号，即oco1o2uuu两者的差值则为零，即
4、oo1o20uuu 输出电压与输入电压之比称为共模电压放大倍数，用 表示，则有cuAoci0uuAu（6-2）式（6-2）说明差分放大电路对共模输入信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。当放大电路的两输入端输入的信号大小相等、极性相反时，这种信号称为差模信号，记作 ，下标d表示差模，即iduid1id2id12uuu 此输入方式称为差模输入。在差模输入时，输入电压为iidid1id2id12uuuuu而输出端的集电极电流和输出电压分别为c1c2ii o1o2uu 总的差模输出电压为oo1o2o12uuuu 输出电压与输入电压之比称为差模电压放大倍数，用 表示，则有duAoo1Cdd1iid1b
5、e22uuuuRAAuur（6-3）二、集成运算放大器的组成二、集成运算放大器的组成 集成运放内部实质是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。它通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路等四部分组成，如图6-4所示。图6-4 集成运算放大电路的组成方框图（一）输入级（一）输入级 输入级又称前置级，它由高性能的差分放大电路组成，要能尽量减小零漂，并对共模信号有很强的抑制力，且应具有较高的输入电阻和良好的稳定性。（二）中间级（二）中间级 中间级由若干级共发射极放大电路组成，主要是为整个电路提供足够的增益，以保证集成运放的运算精度。（三）输出级（三）输出级 输出级的任务是向负载提供足够大的功率。（四）偏
6、置电路（四）偏置电路 偏置电路是为各级电路提供静态偏置电流。三、集成运算放大器的主要技术指标三、集成运算放大器的主要技术指标（一）运算放大器的静态技术指标（一）运算放大器的静态技术指标1输入失调电压ioU2输入失调电流ioI3输入偏置电流ibI4输入失调电压温漂iod/dUT5输入失调电流温漂iod/dIT6最大差模输入电压idmaxU7最大共模输入电压icmaxU（二）运算放大器的动态技术指标（二）运算放大器的动态技术指标1开环差模电压放大倍数ouA2差模输入电阻idr3共模抑制比CMRK4单位增益带宽cf5转换速率（压摆率）SR6等效输入噪声电压nU四、理想运算放大器四、理想运算放大器 由
7、于集成运算放大器的种类繁多，内部构造各异，分析实际电路时为简化起见，通常忽略一些问题，而按理想化模型来分析处理，称之为理想运算放大器，其符号如图6-5所示。图6-5 理想运算放大电路的符号 两个输入端的电位相等，即 。理想运算放大器的电压放大倍数为+=uuooo+iuuuAuuu-（6-4）图6-6 理想运放的“虚短”净输入电流为零，即 。理想运算放大器的净输入电流为i+i0II+iiduuIr（6-5）图6-7 理想运放的“虚断”五、集成运算放大器的主要特性五、集成运算放大器的主要特性 电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系，如图6-8所示。该传输特性分为线性区和非线性
8、区（饱和区）。图6-8 电压传输特性任务二任务二 集成运放的闭环系统与反馈集成运放的闭环系统与反馈一、反馈的基本概念一、反馈的基本概念 将放大电路输出信号（电压或电流）的一部分或全部，通过某种电路（反馈电路）反送回到输入回路中，从而再次影响整个放大电路的过程称为反馈。反馈到输入端的信号称为反馈信号。图6-9 反馈电路框图二、反馈的类型二、反馈的类型（一）正反馈和负反馈（一）正反馈和负反馈 根据反馈信号的不同，反馈可以分为正反馈和负反馈。（二）直流反馈和交流反馈（二）直流反馈和交流反馈 根据反馈信号的交、直流性质，可分为直流反馈和交流反馈。图6-11 交、直流反馈（三）电压反馈和电流反馈（三）电
9、压反馈和电流反馈 根据反馈信号在放大电路输出端不同的电量形式，分为电压反馈和电流反馈。（a）（b）图6-12 电压与电流反馈（四）串联反馈和并联反馈（四）串联反馈和并联反馈 根据放大电路输入信号和反馈信号的比较方式，分为串联反馈和并联反馈。三、常见放大器的运算电路三、常见放大器的运算电路1反相比例运算电路（a）反相比例运算电路 （b）虚地示意图 图6-13 反相比例运算电路（一）比例运算电路（一）比例运算电路 将输入信号按一定比例放大的电路，称为比例运算电路。根据信号输入端的不同，又分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。2同相比例运算电路 （a）同相比例运算电路 （b）电压跟随器 图6-14
10、 同相比例运算电路及应用（二）加法运算电路（二）加法运算电路 加法运算是指电路的输出电压等于各输入电压的代数和。在反相比例运算电路的反相端再增加几个输入支路便可以组成反相加法运算电路，简称反相加法器，如图6-15所示。图6-15 加法运算电路（三）减法运算电路（三）减法运算电路 减法运算是指电路的输出电压与同相端输入电压和反相端输入电压之差成正比，减法运算又称差分比例运算。图6-16 减法运算电路（四）积分运算电路（四）积分运算电路 积分运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在积分关系，如图6-17所示。图6-17 积分运算电路（五）微分运算电路（五）微分运算电路 微分运算电路是指电路的输
11、出信号与输入信号之间存在微分关系，它也是一种应用极为广泛的运算电路，如图6-18所示。图6-18 微分运算电路四、比较器四、比较器（一）过零比较器（一）过零比较器 过零比较器是参考电压为零的比较器，如图6-19（a）所示，其同相输入端接地，输入信号从反相端接入。（a）（b）（c）图6-19 过零比较器 电压比较器是指将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压产生跃变，相应输出高电平或低电平的电路。有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路电平配合，在比较器的输出端与“地”之间跨接一个双向稳压管VDZ，作双向限幅用，其电路和传输特性如图6-20所示
12、。（a）（b）图6-20 有限幅的过零比较器 如果将过零比较器的接地端改接入一个参考电压UR，由于UR的大小与极性均可调整，则电路成为任意电平电路，如图6-21所示。（a）（b）图6-21 任意电平电压比较器（二）滞回比较器（二）滞回比较器由于输出电压为+UZ和-UZ，所以，根据叠加原理可得R3Z2TH12323U RU RURRRRR3Z2TH22323U RU RURRRR（6-10）（a）（b）图6-22 滞回比较器五、集成运放在汽车电子电路中的应用五、集成运放在汽车电子电路中的应用（一）电桥信号放大电路（一）电桥信号放大电路 采用如图6-23所示的电桥信号放大电路可对温度、压力、形变等
13、进行检测，电路中的一个臂是由传感器构成的。图6-23 电桥信号放大电路 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组合制成的。如图6-24所示为其结构和工作原理示意图。（a）结构示意图 （b）工作原理示意图 图6-24 压敏电阻式进气压力传感器（二）光电测量电路（二）光电测量电路 光电二极管、光电三极管等光电器件能将光信号转换为电信号，如图6-25所示为一种最简单的光电测量电路。图6-25 光电测量电路（三）蓄电池电压过低报警电路（三）蓄电池电压过低报警电路 蓄电池电压过低报警电路是一种简单的电压比较器电路。它主要由集成运算放大器、稳压管、发光二极管和若干电阻组成，如图6-26所示。图6-26 蓄电池电压过低报警电路（四）汽车氧传感器电路（四）汽车氧传感器电路 氧传感器通过电压比较器与ECU之间进行信号传递。图6-27 氧传感器与ECU的连接（五）汽车防抱死制动系统电路（五）汽车防抱死制动系统电路 在汽车防抱死制动系统（ABS）中，车轮的速度是依靠轮速传感器传递给ECU的。图6-28 霍尔式轮速传感器的电路原理图
