集成運(yùn)算放大器在汽車上的應(yīng)用

沈愛蓮

當(dāng)前,電子學(xué)電路的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由以往的晶體管、二極管等分立器件組成的電路變?yōu)槭褂眉蛇\(yùn)算放大器的電路。雖然三極管具有放大作用,但是由一個(gè)三極管組成的放大電路,其放大能力是有限的。所以,在汽車電路中,一般不常使用。為了獲得高倍數(shù)的放大能力,將多個(gè)三極管以級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成多級(jí)放大電路,是一個(gè)較好的方法。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,將各種分立元件的多級(jí)放大器集成在一塊半導(dǎo)體芯片內(nèi),構(gòu)成了集成運(yùn)算放大器,簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放。

一、集成運(yùn)放的工作區(qū)域及其應(yīng)用

集成運(yùn)放的工作區(qū)域可以分為線性放大區(qū)和飽和非線性區(qū)兩種。在汽車電路中,這兩種區(qū)域的使用都很普遍。集成運(yùn)放電路如果引入負(fù)反饋電路,則其工作于線性區(qū)域,主要用來構(gòu)成各種集成運(yùn)算電路,將微弱的信號(hào)進(jìn)行放大;反之,如果集成運(yùn)放引入正反饋電路或工作于開環(huán)狀態(tài)(即沒有引入任何的反饋電路),則它工作于非線性飽和區(qū),主要應(yīng)用是構(gòu)成各種電壓比較器。所謂反饋,就是將電路輸出的一部分或全部(如輸出電壓、或輸出電流等),通過反饋回路重新送回到輸入端,與原來的輸入信號(hào)進(jìn)行比較分析,從而得到新的輸入信號(hào)(稱為凈輸入量,此信號(hào)作為放大電路真正的輸入量),使電路的性能得到改善。

二、集成運(yùn)算放大器在汽車電路中的主要應(yīng)用

1.集成運(yùn)算放大器工作于線性區(qū)

集成運(yùn)放組成的各種運(yùn)算放大電路主要有反向比例放大器、同相比例放大器和差分放大器(即差動(dòng)運(yùn)算放大器或減法運(yùn)算電路)。在汽車電路中,集成運(yùn)放一般安裝在ECU模塊內(nèi)部,在外部一般看不到獨(dú)立的集成運(yùn)放。其中,以差分運(yùn)算放大器組成的電橋放大電路在汽車上的應(yīng)用比較典型。此電路可以對(duì)溫度、壓力或變形等進(jìn)行檢測(cè)。這種電路廣泛應(yīng)用于汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)中。

2.集成運(yùn)算放大器工作于非線性區(qū)域

工作于非線性飽和區(qū)時(shí),集成運(yùn)放電路構(gòu)成了各種電壓比較器。比較器就是將兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較,比較的可能(即電路的輸出)只有兩種,要么是低電平,要么是高電平。在汽車電路中,常用的比較器有LM741、LM324和LM339。構(gòu)成的比較器中最常見的應(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電壓比較器。

(1)簡(jiǎn)單電壓比較器在汽車電路中的應(yīng)用。這種電壓比較器的特點(diǎn)是電壓傳輸特性只有一個(gè)閾值電壓。當(dāng)輸入電壓在閾值電壓附近發(fā)生變化時(shí),輸出信號(hào)就會(huì)跳變,如在電噴發(fā)動(dòng)機(jī)中用作氧傳感器與ECU之間的信號(hào)傳遞電路。假設(shè)ECU設(shè)定0.45v為基準(zhǔn)電壓,即閾值電壓。當(dāng)氧傳感器信號(hào)電壓大于此電壓時(shí),簡(jiǎn)單電壓比較器輸出為0(即低電平),ECU判斷混合氣過稀,增加噴油量;反之,當(dāng)氧傳感器信號(hào)電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí),簡(jiǎn)單電壓比較器輸出為5v(即高電平),ECU判斷混合氣過濃,減少噴油量。此外,這種電壓比較器還可以構(gòu)成蓄電池電壓報(bào)警電路。如果蓄電池的電壓過低(小于10V),比較器的輸出為低電平,發(fā)光二極管發(fā)光,表示蓄電池電壓過低;反之,當(dāng)蓄電池電壓高于10V時(shí),比較器輸出為高電平,發(fā)光二極管不發(fā)光,表示蓄電池電壓正常。

(2)滯回電壓比較器在汽車電路中的應(yīng)用。滯回電壓比較器傳輸特性的特點(diǎn)是有兩個(gè)閾值電壓。輸入電壓從小變大或從大變小的不同過程中,輸出電壓發(fā)生跳變的閾值電壓不同。在汽車ABS(電控防抱死)系統(tǒng)中,車輪的轉(zhuǎn)速是靠輪速傳感器來傳遞給ECU的。霍爾輪速傳感器是其中的一種,它主要由與車輪或傳動(dòng)系統(tǒng)連接在一起的觸發(fā)齒圈、霍爾元件、永久磁鐵,以及由滯回比較器構(gòu)成的電子電路等部件組成。當(dāng)觸發(fā)齒圈隨著車輪旋轉(zhuǎn)時(shí),霍爾元件上的磁場(chǎng)發(fā)生周期性變化,霍爾元件就會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。但是,這個(gè)電壓很小,是毫伏級(jí)的正弦波電壓,所以需要由集成運(yùn)放組成的放大電路進(jìn)行放大。

(3)窗口電壓比較器在汽車電路中的應(yīng)用。窗口電壓比較器有兩個(gè)閾值電壓,當(dāng)輸入電壓?jiǎn)畏较蜃兓瘯r(shí),可以跳變2次。這種用法在汽車充電系統(tǒng)中具有重要作用。在充電系統(tǒng)中,電壓過高或過低時(shí),報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)充電系統(tǒng)電壓大于14.5v或小于12v時(shí),窗口電壓比較器的輸出均為高電平,驅(qū)動(dòng)三極管開關(guān)電路,指示燈亮,表示充電系統(tǒng)電壓異常;當(dāng)充電電壓介于12與14.5v之間,窗口電壓比較器的輸出電壓為低電平,三極管開關(guān)電路斷開,指示燈都不亮,指示充電系統(tǒng)電壓正常。

(作者單位:浙江省汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院)