第5章-半导体器件及应用

第5章半导体器件及应用 5 1半导体基础知识5 2二极管5 3三极管5 4三极管基本放大电路5 5其他半导体器件5 6集成运算放大器 1 本章要求 理解半导体的导电特性 PN结的概念及特性 掌握二极管的单向导电性 检测方法及在汽车电子电路中的典型应用 掌握三极管的伏安特性及管脚的识别 了解其构成的各类放大电路的特点及在汽车中的应用 了解其他特种半导体器件的特点及在汽车中的应用 掌握集成运放电路的分析方法 了解其在汽车中应用 2 第5章半导体器件及应用 5 1半导体基础知识 5 1 1半导体半导体 介于导体和绝缘体之间的物质 如硅 锗 硒等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 3 1 本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 本征硅的晶体结构图 本征硅的结构平面图 共有价电子所形成的束缚作用称为共价键 4 共价键中的少量价电子在温度升高或受光照后 会获得足够的动能 将挣脱原子核的束缚 成为自由电子 带负电 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 这一现象称为本征激发 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子移动过来填补 而在该原子中出现一个空穴 如此继续下去 形成了空穴运动 5 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出现两部分电流 电子电流和空穴电流自由电子和空穴都称为载流子 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 同时参与导电 这是本征半导体区别于金属导体的一个重要特性 此特性称为它的导电机理 注意 在常温下 本征半导体中载流子很少 其导电性能很差 为了提高其导电性能 通常将其制成杂质半导体 6 在本征半导体中掺入微量的有用杂质形成的半导体 2 杂质半导体 1 P型半导体掺入三价元素空穴是多数载流子 自由电子是少数载流子 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 也称为空穴型半导体 7 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子型半导体 2 N型半导体掺入五价元素自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 8 综上所述 无论是P型还是N型半导体 其中多数载流子都是掺入杂质造成的 尽管杂质含量微乎其微 却能使其导电性能大大改善 而它们的少数载流子 都是由于热激发产生的 虽然少子浓度很低 但对温度非常敏感 其浓度随温度的升高而增大 因此温度是影响半导体性能的一个重要因素 由于杂质半导体具有良好的导电性 在实际中常用来生成PN结 PN结具有单一型半导体 P型或N型 所不具备的新特性 利用此特性制造出了各种半导体器件 推动了电子技术的发展 9 内电场 5 1 2PN结 P型半导体 N型半导体 PN结 10 在杂质半导体P和N的结合面附近存在着的特殊薄层称为PN结 在PN结中空穴和自由电子都基本上耗尽了 故PN结又称为耗尽层 耗尽层中有一个内电场 方向如上图所示 1 PN结加正向电压 正向偏置 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 11 2 PN结加反向电压 反向偏置 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 PN结处于截止状态 12 PN结正向导通 反向截止的特性称为其单向导电性 3 PN结的结电容 PN结的结构类似平板电容器结电容数值很小 在低频电路中 相当于开路 不用考虑其影响 但在高频电路中 容抗很小 对PN结的电流有影响 必须加以考虑 P型半导体 PN结 N型半导体 13 5 2二极管 5 2 1结构和分类 分类 结构 1 点接触型 面接触型 平面型 2 硅管和锗管 3 普通管和特殊管 14 二极管的结构示意图 用于集成电路制作工艺中 PN结结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 15 硅Uth 0 5V 锗Uth 0 1V 特点 非线性 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 5 2 2二极管的伏安特性 16 外加电压大于死区电压二极管才能导通 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 1 最大整流电流IFM二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压URM保证二极管不被击穿而制定的最高反向电压 一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二 二极管击穿后单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 3 最大反向电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流值 反向电流值越小 管子的单向导电性能越好 其值随着温度的上升而显著增加 因此温度会影响二极管的性能 4 最高工作频率fM 5 2 3主要参数 17 是指保证二极管具有单向导电作用的最高工作频率 当工作频率过高时 二极管的单向导电性能就会变差 甚至失去单向导电性 点接触型锗管其最高工作频率可达几百兆赫 而面接触型硅整流管 其最高工作频率只有三千赫 5 2 4二极管的检测1 二极管极性的识别 1 一般情况下 可通过管壳上的标记确定 有色环的二极管 色环所在的一端为负极 带色点的二极管 色点所在的一端为正极 2 无标记的二极管 可通过万用表来判断正负极 正负极的确定是利用了二极管正向电阻小 反向电阻大的特点 将万用表拨到R 1k档 用表笔分别接触二极管的两极 测出两个电阻值 在所测得阻值较小 18 的一次 与黑表笔相接的一端为正极 同理 在所测得阻值较大的一次 与黑表笔相接的一端为负极 如图所示 上述检测使用的是指针式万用表 实际上也可使用数字万用表 如果用数字万用表 表笔情况正好相反 即在所测得阻值较小的一次 与黑表笔相接的一端为二极管负极 同理 在所测得电阻值较大的一次 与黑表笔相接的是二极管正极 19 利用万用表还可以判断二极管的好坏 如果测得的正 反向电阻值均很小 说明二极管内部短路 若正 反向电阻值均很大 说明二极管内部开路 这两种情况下 二极管就不能使用了 以上是普通二极管的检测方法 汽车交流发电机上的整流二极管就可以按照上述方法进行检测 操作 用万用表检测汽车交流发电机整流板上的正极管 负极管 2 二极管好坏的识别 20 1 整流电路 由三只正极管和三只负极管组成 正极管的导通条件是 在某一瞬间 与三相绕组中电位最高相连接的正极管导通 负极管的导通条件是 在某一瞬间 与三相绕组中电位最低相连接的负极管导通 5 2 5二极管在汽车电子电路中的应用 21 三相桥式整流电路 设三相绕组输出的电压为三相对称电压 波形如图所示 为便于分析 现将一个周期等分成6个小区间加以说明 在t1 t2内 VD1 VD5导通 U1V1间电压加到负载上 在t2 t3内 VD1 VD6导通 U1W1间电压加到负载上 22 在t3 t4内 VD2 VD6导通 V1W1间电压加到负载上 在t4 t5内 VD2 VD4导通 V1U1间电压加到负载上 按照正极管VD1 VD2 VD3 负极管VD5 VD6 VD4的顺序轮流导通 在负载端便得到一个较平稳的直流电压 电压波形如图所示 23 2 保护电路 在电路中 VD4起保护作用 当励磁线圈断电时 所产生的感应电动势通过VD4释放 避免了反电动势叠加在电源电压上对VT2 VT3的电压冲击 保证了它们的安全 24 符号 伏安特性 1 稳压管 5 2 6特殊二极管及在汽车电子电路中的应用 25 1 稳压管的特性 2 主要参数 稳定电压UZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM稳定电流是指稳压管的稳定电压所对应的电流值最大稳定电流是指稳压管反向击穿后允许流过的最大电流值 使用时要加限流电阻 26 动态电阻 rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 稳压电路由稳压管和限流电阻串联组成 其中稳压管与负载电路并联 以便发挥稳压作用 汽车仪表电路的稳压电路 稳压电路的稳压原理是 当蓄电池电压上升时 稳压管的反向电压略有增大 根据反向击穿特性可知 其反向电流大大增加 这将引起限流电阻的电流和电压增加 若电阻选择合适 则其电压的增量将抵消掉蓄电池电压的增量 使仪表上的电压基本不变 相反 当蓄电池电压减小时 限流电阻上的电压减小 保证了仪表上的电压基本不变 3 稳压管在汽车电子电路中的应用 27 限幅电路 在图中 稳压管VZ2为限幅二极管 在电路中起限制电压幅度的作用 其工作原理是 当电路开关S接通时 在电压调节器两端会产生瞬间高压 稳压管反向击穿导通 将电压限制在一定范围内 避免了瞬间高压损坏电压调节器 28 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 但正向电压较一般二极管高为1 5 3V 电流较小为几 十几mA发光二极管具有体积小 反应快 光度强 寿命长等优点 在汽车电路中得到广泛应用 如安装在汽车组合仪表盘上各种指示灯 报警灯都是发光二极管组成的 2 发光二极管 29 发光二极管的外形和符号 3 光电二极管 反向电流的数值随着光照的增强而上升 无光照时 反向电流很小 有光照时 反向电流急剧增加 且光照的越强 反向电流越大 利用这一特性可以将许多光电二极管组成光电板 作为电源使用 称为太阳能电池 另外 光电二极管在汽车上作为光信号检测元件得到了广泛的应用 30 汽车空调用日照强度传感器等效电路 日照强度传感器在空调自动控制系统中是一个日照强度检测元件 它通过光电二极管检测日光照射量的变化 并把这种变化转换成电流值输出 车内空调计算机对这种变化进行检测 并根据电流的变化情况控制执行机构调节排风口的风量和温度 达到调节车内温度的目的 31 汽车光电式点火信号发生器原理图 主要由发光二极管 光电二极管和遮光转子组成 发光二极管通入电流后产生光源 光电二极管受光后产生电压 遮光转子有与气缸数相对应的缺口 光源照射到光电二极管的光线受转动的遮光转子控制 当遮光转子随分电器轴转动时 遮光转子缺口周期性地通过光线 使光电二极管周期性受光 光电二极管便产生了与曲轴位置相对应的电压脉冲 即点火触发信号 32 5 3三极管 5 3 1结构与符号 符号 33 结构特点 34 5 3 2电流分配与放大原理 1 三极管放大的外部条件 实验线路 35 发射结正偏 集电结反偏 结论 2 各电极电流关系及电流放大作用 1 电流关系IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为三极管的电流放大作用 实质 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 是CCCS器件 36 5 3 3三极管的特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线 反映了晶体管的性能 是分析放大电路的依据 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 测量三极管特性的实验线路 输入回路 输出回路 37 共发射极电路 正常工作时发射结电压 硅管UBE 0 6 0 7V锗管UBE 0 2 0 3V 硅Uth 0 5V 锗Uth 0 1V 1 输入特性 38 1 放大区 在放大区有IC IB 也称为线性区 在放大区有恒流特性 在放大区 发射结正偏 集电结反偏 三极管工作于放大状态 输出特性曲线通常分三个工作区 2 输出特性 39 2 截止区在截止区有IB 0 IC IE 0 在截止区发射结 集电结均反偏 三级管工作于截止状态 3 饱和区 在饱和区 发射结 集电结均正偏 三级管工作于饱和状态 深度饱和时 硅管UCES 0 3V 锗管UCES 0 1V 在饱和区 IC IB 40 例 试根据图示中管子的对地电位 判断各管是硅管还是锗管 处于何种状态 方法 1 硅管 锗管的判断 41 硅管 锗管 2 判断状态根据不同状态下的偏置条件进行 解 a 硅管 放大 b 硅管 饱和 c 锗管 截止 42 直流电流放大系数 交流电流放大系数 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数 晶体管的参数也是设计电路 选用晶体管的依据 5 3 4三极管的特性曲线 43 当晶体管接成发射极电路时 1 电流放大系数 注意 和 的含义不同 但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下 两者数值接近 常用晶体管的 值在20 200之间 例 在UCE 6V时 在Q1点IB 40 A IC 1 5mA 在Q2点IB 60 A IC 2 3mA 在Q1点 有 由Q1和Q2点 得 44 在以后的计算中 一般作近似处理 2 集 基极反向截止电流ICBO 3 集 射极反向截止电流 穿透电流 ICEO 45 4 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM 5 集 射极反向击穿电压U BR CEO当集 射极之间的电压UCE超过一定的数值时 三极管就会被击穿 手册上给出的数值是25 C 基极开路时的击穿电压U BR CEO 6 集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升 消耗功率过大 温升过高会烧坏三极管 PC PCM ICUCE硅管允许结温约为150 C 锗管约为70 90 C 46 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 47 5 3 5三极管管型和管脚的判别 判定的方法 主要有目测法和万用表检测法 实际工作中优先采用目测法 在目测不能做出准确判断时 再用万用表进行检测 根据三极管型号的命名方法确定 见下页表 注意 国内常见的三级管还有一些以数字命名的 如9011 9018 9011 9013 9014 9016 9018为NPN硅管9012 9015为PNP硅管 48 1 目测法 1 管型的判别 49 三极管型号命名方法 GB249 89 2 管脚的判别 小功率 PCM 1W 管 金属圆壳封装 管脚向上 它们组成半圆位于上部 按顺时针方向依次为ebc 塑料半圆柱封装 头在上 平面向自己 左起ebc 大功率 PCM 1W 管 电极靠近孔 左起ecb 其中c是金属外壳 50 1 将指针式万用表置欧姆档R 100或R 1k 将两表笔短接调零 2 判别基极用黑表笔接三级管的某一电极 用红表笔分别接另外两个电极 若测得电阻都较小 约为几百欧至几千欧 则与黑表笔相接的电极为基极 同时可知为NPN管 如果电阻不是都小 则换电极重新检测 直到两次电阻值都很小为止 如果用黑表笔接触三级管的某一电极 而红表笔分别接另外两个电极时 测得电阻都较大 约为几百千欧以上 则与黑表笔相接的电极为基极 同时可知为PNP管 2 用万用表电阻挡判别 51 3 判别集电极和发射极对NPN管 基极确定后 假定其余两电极中的一个为集电极 将黑表笔接到该电极上 红表笔接到假定的发射极上 用手指把假定的集电极和已测出的基极捏起来 但不要相碰 记下电阻读数 再将表笔对调 记下电阻读数 比较两次读数 阻值较小时黑表笔所接的电极是集电极 余下的电极为发射极 对PNP管 方法同NPN管 只需将表笔对调即可即红表笔接的是集电极 而黑表笔接的是发射极 注意 数字式万用表的正极与表内电源正极相连 负极与表内电源负极相连 而指针式万用表的正极是与表内电源负极相连的 负极是与表内电源正极相连的 因此 当用数字式万用表检测晶体管时 判定结果与指针式正好相反 另外 在有些万用表 部分指针式和所有数字式 上 具有hFE挡 利用之一功能也可确定三极管的电极 方法是 将万用表的转换开关拨到hFE挡 再把三级管的三个电极插入e b c插孔中 若能读出放大倍数 则插孔中的三个电极分别是e b c 52 5 4三极管基本放大电路 三极管的主要用途之一就是利用其放大作用组成放大电路 实现将微弱电信号放大的功能 以驱动大功率的负载工作 如使扬声器发声 电动机旋转 使继电器动作 使仪表偏转等 放大电路在生产实践与科学研究中的应用十分广泛 已经成为电子电路中常见的基本单元 随着电子技术的发展 集成放大电路占了主导地位 分立元件放大电路在实际应用中已不多见 虽然如此 但分立元件放大电路是所有模拟集成电路的基本单元 对初学者来说 从分立元件放大电路入手 掌握一些放大电路的基本概念是十分必要的 本节将定性分析几种基本放大电路的组成 工作原理 性能指标及常用的基本放大电路的特点和应用 为后续章节打好基础 53 5 4 1基本放大电路的组成与工作原理 在放大电路中 三极管有共发射极 共集电极和共基极三种接法 即三种组态 相应地放大电路有三种 共发射极电路 共集电极电路和共基极电路 以共射电路为例 介绍放大电路的组成和工作原理 54 1 组成 三极管VT 放大元件 起电流放大作用 共发射极基本放大电路 基极电源UBB与基极电阻RB 使发射结处于正向偏置 并提供大小适当的基极电流IB 集电极电源UCC 为电路提供能量 并保证集电结反偏 55 组成原则 电源的接法必须使三极管工作在放大状态 输入信号ui应能加到三极管的输入极上 经过放大后能从输出端有效输出 集电极电阻RC 将变化的电流转变为变化的电压 耦合电容C1 C2 隔离输入 输出与隔离输入 输出与放大电路直流的联系 同时使信号顺利输入 输出 即隔直通交 56 单电源供电时常用的画法 共发射极基本放大电路 57 2 工作原理 放大电路中电流 电压的符号规定 58 uo 0 无输入信号 ui 0 时 输入端相当于短路 由于电容器的隔直流作用 直流电流只在电容器C1和C2之间的电路中从上而下流动 从而使三级管各极上的电流和电压均为恒定的直流量 59 直流 IB UBE 和 IC UCE 分别对应于输入 输出特性曲线上的一个点Q 称为静态工作点 静态工作点对应的各直流电流和电压也称为静态值 60 有输入信号 ui 0 时 61 三极管各极电流和电压的大小均发生变化 都在直流量的基础上叠加了一个交流量 若参数选取得当 输出电压将比输入电压幅度大 电路实现了对交流电压的放大 输出电压与输入电压在相位上相差180 故共发射极电路具有反相作用 62 5 4 2放大电路的性能指标 1 放大倍数放大倍数是衡量电路放大能力的一项指标 有电压 电流和功率三种 63 电压放大倍数Au 输出电压与输入电压的相量之比 电流放大倍数Ai 输出电流与输入电流的相量之比 在不考虑放大电路中电抗元件 即电容元件和电感元件 的影响时 放大倍数Au可写成交流瞬时值或有效值之比 64 同样 在不考虑放大电路中电抗元件的影响时 放大倍数Ai也可写成交流瞬时值或有效值之比 功率放大倍数Ap 输出功率与输入功率之比 65 2 输入电阻ri 输入电阻是从放大电路的输入端往里看 电路的等效电阻 定义为输入电压与输入电流的相量之比 在不考虑放大电路中电抗元件的影响时 也可写成交流瞬时值或有效值之比 它是衡量放大电路对信号源影响程度的一个指标 其值越大 放大电路从信号源索取的电流就越小 对信号源影响就越小 66 3 输出电阻RO 输出电阻是从放大电路的输出端往里看 电路的等效电阻 它可以通过实验的方法测得 当负载开路时 测得输出电压为Uo接上负载 测得的输出电压为Uo 根据图可得 输出电阻是描述放大电路带负载能力的一项技术指标 通常放大电路的输出电阻越小越好 67 4 最大输出功率Pom和效率 Pom 在输出信号基本不失真的情况下电路所能输出的最大功率 放大电路的性能指标还有很多 如最大输出幅度 失真系数 通频带 温度漂移 抗干扰能力等等 后面用到时再进行介绍 68 最大输出功率Pom与电源提供的直流功率Pu之比 5 4 3基本放大电路的类型和特点 在生产实践中基本放大电路放大的信号往往不只是正弦信号 还有缓慢变化的直流信号 同时 不只是放大电压信号 有时还需要放大电流和功率信号 为了完成不同信号的放大 需要有不同的结构 1 共射放大电路 1 结构特点交流通路 交流电流的通路交流通路的画法见下页图 69 信号的输入和输出回路都以发射极为公共端 故称为共发射极电路 电路的信号由基极输入 由集电极取出 交流通路 70 2 性能特点 有较高的电压放大倍数 输入电阻较低而输出电阻较高一般用于电压放大级2 共集电极放大电路 1 结构特点 信号的输入和输出回路都以集电极为公共端 故称为共集电极放大电路 因输出信号由发射极对地输出 又称为射极输出器 71 2 性能特点 由交流通路可知 电压跟随性好 输入电阻高 输出电阻低 对信号源的影响小且带负载能力强 可作为多级放大电路的输入级 输出级和中间隔离级使用 3 差动放大电路 1 结构特点 电路对称 双端输入方式 正负双电源供电 72 差动放大电路的基本输入信号有两种 差模输入信号和共模输入信号 2 性能特点 差模输入信号 大小相等 极性相反的一对信号即ui1 ui2 共模输入信号 大小相等 极性相同的一对信号即ui1 ui2 差动放大电路对共模信号有很强的抑制作用 理想情况下的共模放大倍数 73 在理想情况下 差动放大电路 对差动放大电路而言 差模信号是有用的信号 通常要求对它有较大的放大倍数 而共模信号则是由于温度变化或干扰产生的无用的信号 需要对它进行抑制 为了全面反映了差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力 引出了共模抑制比的概念 对差模信号有很好的放大作用 差模放大倍数 74 共模抑制比 功率放大电路 以功率放大为主要目的的放大电路因为它能直接驱动负载工作 如使扬声器发声 电动机旋转 继电器动作 仪表指针偏转等 所以在多级放大电路中常作为末级或末前极使用 1 结构特点 电路对称 工作时 轮流工作 互相补充 故称为互补对称电路 4 互补对称功率放大电路 75 2 性能特点 无信号输入时IB 0 IC 0 管子本身的损耗很小 所以电路的效率高 有信号输入时 管子往往在接近极限状态下工作 输出功率大 两管都是射级输出 所以输出电阻低也是它的主要特点 76 汽车在行驶过程中 由于颠簸 振动等原因 电气线路与车体发生摩擦而造成绝缘层损坏 出现接地 短路 故障 这就需要及时地发现并发出声光报警信号 以提醒驾驶人员注意 避免发生更大的事故 下图就是一种为适应接地故障的快速检测而制作的故障探测电路 它由传感器 两级放大电路 声光报警装置及直流电源等组成 5 4 4基本放大电路在汽车检测中的应用 77 探测器工作原理 当导线接地后 在接地点就会产生短路电流 短路点就会向周围发出高频电磁信号 这个信号就被由线圈和铁心构成的传感器接收到 并转换成交流电信号输出 这个交流信号很微弱 经过三极管VT1放大后 在它的集电极就会得到放大了的交流信号 再送入VT2的基极进行放大 使接在VT2集电极的发光二极管闪烁发光 接在发射极的蜂鸣器发出声响 传感器越接近故障点 接收到的信号越强 发光二极管越亮 蜂鸣器发出的声响越强 根据发光二极管亮度变化和蜂鸣器声音变化 就能快速找到故障点 78 5 5其他半导体器件 5 5 1光电三极管1 光电三极管 结构特点 也有两个PN结 但集电结采用光电二极管结构 由光电二极管提供基极电流 所以基极不引出 从外观上看只有两个电极即C和E极 79 光电三极管在汽车上主要应用于传感器中 实现空气流量检测 转向角度检测 车速测量 位置测量等功能 光电效应 光电三极管是光控元件 其集电极电流随光照强度的上升而增大 80 2 光电式传感器 1 空气流量传感器空气流量传感器又称空气流量计 是用来检测发动机进气量大小的传感器 其作用是将进气量信息转换成电信号输入电脑ECU 由电脑计算出进气量的大小 以确定发动机的喷油时间和点火时间 空气流量计的种类很多 有歧管压力传感器 翼片式 量芯式 涡旋式 热线式与热模式空气流量计等 这里介绍涡旋式空气流量计 81 涡旋式空气流量计是根据卡门涡旋理论测量空气流量的一种传感器 在进气道的中央设置一锥形涡旋发生器 当空气通过时 在涡旋发生器的后面就会产生一系列十分规则的空气旋涡 称为卡门涡旋 理论与实践证明 涡旋发生器后方某一点的卡门涡旋频率f与空气流速v成正比 82 St 斯特罗巴尔系数 d 涡旋发生器外径 这样 只要测出卡门涡旋频率f 就可知道空气的流速v 再乘以空气通道的截面积便可获得空气的流量 反光镜检测式空气流量计主要由涡旋发生器 导压孔和反光镜检测装置组成 涡旋频率的测量是通过涡旋发生器 导压孔和反光镜检测装置三者的配合实现的 原理是 当管道中进气量变化时 涡旋发生器后面的涡旋压力就会发生变化 涡旋压力的变化经导压孔作用到簧片上便使簧片产生振动 其振动频率与涡旋频率相同 83 反光镜式卡门涡旋空气流量计 2 转角传感器转角传感器是用来检测转向器主轴的转动角度和转动方向的传感器 它主要有光电式和磁电式两种 目前汽车上使用较多的为光电式传感器 其结构和电路如图所示 由遮光盘和夹在其两侧的两组光电耦合器组成 84 遮光盘随转向轴转动时 发光二极管发出的光线时而通过透光槽作用于光电三极管上 使三极管导通 时而被遮光盘遮挡 从而使三极管截止 每截止一次 就输出一个电压脉冲 汽车电脑根据一定时间内三极管输出的电压脉冲数即可判断出转向轴转过的角度 85 5 5 2热敏电阻 热敏电阻是半导体元件 它是将锰 镍 钴 铜和钛等金属氧化物按一定比例混合后压制成型 在高温 1000oC左右 下烧结而成的 其外形有片状 圆柱状等多种 热敏电阻的主要特性是热敏性即阻值随温度的变化而变化 热敏电阻有负温度系数型 NTC 正温度系数型 PTC 和临界温度系数型 CTR 三种类型 热敏电阻具有体积小 灵敏度高等特点 因此被广泛应用在温度测量和温度控制上 热敏电阻的外形 热敏电阻的温度特性 86 5 6集成运算放大器 分立元件放大电路因为放大倍数低 可靠性不高 体积大等缺点 应用范围逐渐萎缩 取而代之的是集成运算放大器 它具有高放大倍数和高可靠性 低成本 小尺寸的优点 因此应用范围十分广泛 从信号的运算 放大到信号的产生和转换以及信号的测量和自动控制等方面都用到了集成运放 本节集成运算放大器的基本组成 特性及应用等方面作一介绍 87 5 6 1集成运算放大器概述 输出级 与负载相接 要求输出电阻低 带负载能力强 一般由互补功放电路或射极输出器构成 偏置电路 为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流 决定各级的静态工作点 一般由各种电流源构成 1 组成与封装输入级 要求输入电阻高 能减小零点漂移和抑制干扰信号 都采用差动式放大电路 中间级 要求电压放大倍数高 常采用带恒流源的共射极放大电路构成 集成运放的内部组成 88 集成运放的符号 2 3 为反相和同相输入端 4 7 为负电源和正电源端6 为输出端1和5 为外接调零电位器 10k 的两个端子 调整运放输出的零点8 为空脚 封装形式 圆壳式和双列直插式 各引脚按逆时针排列 89 1 开环差模电压放大倍数Aud Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数 2 主要参数 Aud愈高 所构成的运算电路越稳定 运算精度也越高 一般几万至几十万倍 理想的开环电压放大倍数为 2 开环差模输入电阻rid是指在开环状态下 运放的两输入端之间对差模信号的动态电阻 其值越大 从信号源取用的电流越小 对信号源影响越小 一般在几百千欧到几兆欧 理想输入电阻为 90 3 开环输出电阻ro 指在开环状态下 负载开路时输出端对地的电阻值 输出电阻越小 集成运放带负载能力越强 一般在几十到几百欧 理想情况下为无穷大 4 共模抑制比KCMR是集成运放差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的对数值 即 KCMR数值越大 抑制干扰信号能力越强 一般在80dB以上 理想值为无穷大 5 最大输出电压幅度UOPP基本不失真时 运放能输出的最大峰 峰值电压 为电源70 91 3 理想运放及分析依据 理想运算放大器的符号 电压传输特性 uo f ui 线性区 uo Auo u u 非线性区 u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 1 理想运算放大器Auo rid ro 0 KCMR 2 分析依据 92 理想运放工作在线性区的特点 93 理想运放工作在非线性区的特点 a 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在 虚短 现象b i i 0 仍存在 虚断 现象 电压传输特性 94 5 6 2基本运算电路 集成运算放大器与外部电阻 电容 半导体器件等构成闭环电路后 能对各种模拟信号进行比例 加法和减法 积分和微分 指数和对数 乘法和除法等运算 在进行运算时 输出量都能反映输入量的某种运算结果 因此运算放大器工作在线性区 在分析电路时线性区的两个特点是电路的分析依据 本节主要分析比例 加减运算电路 95 1 反相比例运算电路 电路组成 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 因要求静态时u u 对地电阻相同 工作原理 因为u u 0 称反相输入端 虚 反相输入的重要特点 因为i 0所以ii ii i if 1 比例运算电路 平衡电阻R2 R1 Rf 96 例 电路如下图所示 已知ui 1V Rf 20k R1 2k 求 uo 解 97 因虚断 所以u ui 工作原理 电路组成 因虚短 所以u ui 反相输入端不 虚地 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 Rf 若R1 或R1 Rf 0 则uo ui 成为电压跟随器 98 2 同相比例运算电路 例 电路如上一页所示 已知ui 1V Rf 20k R1 2k 最大输出电压UOPP 12V 求 uo并判断运放的工作区间 例 电路如下图所示 求 uo 解 解 因uo UOPP故运放工作在线性区 因运放组成电压跟随器所以 99 2 加减运算电路 因虚短 u u 0 因虚断 i 0所以i1 i2 i3 if 若Rf R1 R2 R3 平衡电阻 R R1 R2 R3 Rf 100 1 加法运算电路 例 电路如下图所示 设uo 4ui1 2ui2 0 5ui3 Rf 100k 求 R1 R2 R3和R R R1 R2 R3 Rf 13 3k 解 101 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相比例运算电路的叠加 2 减法运算电路 102 则 若取R1 R2 R3 Rf 如R1 R2 R3 Rf 例 电路如下图 设Rf R1 R2 R3 ui1 1V ui2 3V 求 uo 在实际中 能实现上述各种运算的集成放大器有三种 解 因为R1 R2 R3 Rf 103 3 运算放大器在汽车传感器中的应用 压敏电阻式进气压力传感器结构原理图 集成运放除了有运算能力外 还有放大能力 因此在汽车温度 压力传感器中获得广泛应用 压力转换元件 由粘在硅膜片的四个应变电阻组成 其中应变电阻接成电桥电路 其作用是 将压力信号转变为电压信号输出 集成电路 是一个差动放大器 用来放大电桥输出的信号 104 进气量的测量原理是 进气压力通过进气口作用到压力转换元件上 使应变电阻的阻值发生改变 电桥输出电压信号 该信号经过差动放大器放大后送给电子控制器 又称电脑 ECU计算出进气量的大小 105 电压比较器是一种用途十分广泛的器件 数模转换