任务2反馈在放大电路中应用

1、任务6.2 反馈在放大电路中应用6.2.1 基本概念1. 反馈的基本概念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。反馈到输入端的信号称为反馈信号。根据反馈信号是增强还是减弱输入信号，反馈又分为正反馈和负反馈两大类。具体而言，如果反馈信号对输入信号起增强作用，则称为正反馈；如果反馈信号对输入信号起消弱作用，则称为负反馈。正反馈的结果，导致输入信号增强，输出信号相应增大，亦即使放大器的放大倍数增大。 正反馈常用在振荡电路中。但正反馈常使电路工作不稳定，使放大器的性能变差。负反馈的结果，使放大器的放大倍数减小，可以改

2、善放大器的性能，因此在放大电路中 几乎都采用负反馈。2. 反馈极性判别法反馈的正、负极性（正反馈、负反馈）通常可采用瞬时极性法来判别。采用这种方法判 别反馈的正、负极性时，可先任意设定输入信号的极性为正或为负，并以+或-来标记，然后沿反馈环路逐步确定反馈信号的瞬时极性，最后根据对输入信号的作用是增强还是消弱， 即可确定反馈极性。例如，对于图6-10 （a）所示的集成运放，设输入信号 q为正（标以+）,则输出信号uo 的瞬时极性为负（标以-）,经电阻Rf返送到同相输入端，反馈信号Uf的瞬时极性为负（标以）。这样，净输入信号Ud = Ui- （ -Uf） = Ui+ Uf，与没有反馈时相比增大了，

3、即反馈信号增强了 输入信号的作用，所以可确定为正反馈。用同样方法可判断图 6-10 （b）所示集成运放引入的是负反馈。图6-10反馈极性判别举例6.2.2常见放大器1. 反相放大器反相放大器如图6-11所示。图中Rf为负反馈电阻，成为闭环状态；R1为输入端电阻，为使电路对称，在同相输入端和地之间接入电阻R2, R2称为平衡电阻，其作用是保证放大器稳定工作，R2= r1 II Rf , 口为加在反相输入端上的电压（同相输入端接地）;uo为输出电压。输入信号通过 R1加到运放的反相输入端，输出信号通过负反馈电阻Rf也加到反相输入端，从而在反相输入端实现电流相加h=i-+if。3 ftUJEia r

4、O7厂_ r图6-11反相放大器根据i-=i+-0，可以得到u_uii=if= r又因为U-=U+,而u+= 0,所以u- 0,反相端虽然没有接地，但电压为零，故称为“虚地”。“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 U_uUoif=RfRf Ui -u_ Ui i1=Ri Riif=ii故闭环放大倍数为UiRfRi(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Ri有关，而与放大器本身参数无关。当Rf=Ri时，Uo=-Ui，实现了反相功能（称为反相器或

5、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：Uiii2Ui2i3Ui3*112IIUi3OII1312图6-12反相加法电路又因 u-=u+=o, if=h+i2+i3，得Rf.UU Uo if=RfUoUth时，即u_u+，比较器输出等于零， 即Uo=0 ；当uiu-,比较器输出Uo= + Vcc其传输特性如图6-17 ( b)所示。疋：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。i十匕打一 C=十o5 o

6、(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U TH1和U TH2 , u TH2 U TH1 Uthi时输出Uo不变，只输入电压ui从零增加的过程中，经过 UTH2时输出电压uo不变，只有经过 电压Uo才产生跃变；反之，输入电压 U|减少的过程中，经过 Uth1时输出电压 有经过Uth2时输出电压Uo才产生跃变。6-18 ( b)当输入电压Uth2UiUth1时，输出电压Uo保持原来

7、状态不变。传输特性如图 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。AH110%gut(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 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 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， 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和当输入电压 Uthl UiU thh时，输出电压u=0,当uiU THL THL 或 UI U THH ,输出电压 UO=V C

8、C 6-19 (b)所示。1HK OI比卜MlVD1丄T E_ n *M21+4QmR（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6-20所示的电桥信号放大电路。如果需要对温度、压力或形变等进行检测，可采用图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U。，输出电压uo 一般很小，需要经过放大器进行汽车

9、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

10、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。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，Ri=R2=R3=100K Q , R4=1K Q,稳压管VDz稳压值为5V, R?与稳压管组成电 压基准电路，向比较器提供5V的基准电

11、压。R“ 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

12、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u 5V, ECU判断混合气过浓，减少喷油量。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

13、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。霍尔元件就会产生11.5- 12 V的标准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, 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Rf!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 A

14、!放大器放大后，送到比较器 A2，电阻R 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

15、 （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 LED 2 （红色）发光，指示电压过高。当充电系统电压小于 12V时，Ai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，LED 2 （红色）不亮；比较器 Ai输出电压为电源电压，驱动三极管 VTi导通，发光二极管 LED!（黄色）发光，指示电压 过低。当电压介于1214.5V之间时，Ai反相端检测到的电压大于基准电压，比较器Ai输出电压为零，三极管 VTi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。L

16、EDi （黄色）和LED 2 （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i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i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

17、设备万用表、导线、运算放大器LM74i和相关电阻电容、发光二极管、稳压管、蓄电池、稳压电源和THDL i型数字逻辑实验箱。LM74i为高增益运算放大器，结构如图6-27所示。LM74i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；i 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6.1图6-3所示。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NCOU 1OA21 1I 7 |rnI 5 |丁8-41 111 土厂1 4 |O/ 1INIE十图6-27运算放大器LM741管脚图四、实

18、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

19、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Ui

20、。、输入失调电流Iio、最大差模输入电压 Ujdmax、最大共模输入电压 Ubmax、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：A s输入电阻：rid T OO输出电阻：r= 0共模抑制比：KcMr to4.“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。 反馈到输入端的信号称为反馈信 号。根据反馈信号是增强还是减弱输入信号，反馈又分为正反馈和负反馈两大类。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