《汽车电学基础》-项目八 半导体三极管和基本放大电路3

学习单元3集成运算放大电路学习目标掌握运算放大器在信号方面的应用了解运算放大器结构、参数等学习项目八半导体三极管和基本放大电路学习单元3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。1集成运算放大器概述1.组成与封装输出级：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。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。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。集成运放的内部组成封装形式：圆壳式和双列直插式，各引脚按逆时针排列。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（10kΩ）的两个端子，调整运放输出的零点

8—为空脚

（1）开环差模电压放大倍数Aud(Auo)2.主要参数运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。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

∞。（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%

3.理想运放及分析依据Auo

，rid

，ro0，KCMR

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)

u+–u–

uo–Uo(sat)线性区理想特性实际特性非线性区（2）分析依据

+Uo(sat)（1）理想运算放大器因为uo

=Auo(u+–

u–

)所以a)

u+=u–

,称“虚短”

所以

b)

i+=i–0,称“虚断”

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)①理想运放工作在线性区的特点因为rid=∞②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)

b)i+=i–0,仍存在“虚断”现象电压传输特性当u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

不存在“虚短”现象

uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O非线性区4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。①电路组成

以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()。②工作原理因为u–=u+=0，称反相输入端“虚地”—反相输入的重要特点因为i–=0ifiii–i+uoRfuiR2R1++––++

–

所以ii=ii+i-=if

1)比例运算电路平衡电阻R2=R1//Rf

因要求静态时u+、u–

对地电阻相同，所以(1)反相比例运算电路例：电路如下图所示，已知ui=-1V，Rf=20k

，R1=2k

。求：uo=?

uoRfuiR2R1++––++

–

解：因虚断，所以u+=ui

①电路组成②工作原理uoRfuiR2R1++––++

–

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(2)同相比例运算电路若R1=∞或R1=∞、Rf=0，则uo=ui，成为电压跟随器。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：因故运放工作在线性区因运放组成电压跟随器所以uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

2)加减运算电路(1)加法运算电路uoRfR2++

–

R+–ui2ui3R3ui1R1i3i1ifi2因虚短,u–=u+=0因虚断，i–=0

所以i1+i2+i3=if

平衡电阻：

R=R1

//R2

//R3//Rf例：电路如下图所示，设uo=-（4ui1+2ui2+0.5ui3)，Rf=100k

。求：R1

、R2、R3和R。uoRfR2++

–

R+–ui2ui3R3ui1R1i3i1ifi2解：

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。ui1ui2uoRfR3R2++

–

R1(2)减法运算电路

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=？ui1ui2uoRfR3R2++

–

R1

因为R1

=R2

=R3

=Rf

在实际中，能实现上述各种运算的集成放大器有三种：解：3.运算放大器在汽车传感器中的应用

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。

压敏电阻式进气压力传感器结构原理图

压力转换元件压力转换元件：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。

集成电路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。压力转换元件集成电路电压比较器是一种用途十分广泛的器件。数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。在汽车上用于充电电压的监视器电路中。5电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。

运放工作在开环状态或引入正反馈，使运放处于非线性区，因此电压比较器的分析依据是理想运放的非线性区特点。

电压比较器的分析依据：①当u+>u－

时，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

时，uo=–

Uo(sat)②

i+=i－0电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOuoui++

–

门限电平Uth：输出跳变所对应的输入电压。

ui<0

时，uo=+Uo

(sat)

ui

>0

时，uo=–

Uo

(sat)

ui

=0

时，uo发生跳变门限电平Uth=0因为输入ui每次过零时输出都跳变，因此称为过零比较器。1)过零电压比较器

假设稳压管VZ截止，则运放工作在开环状态，其输出为±Uo(sat)，所以双向稳压管中总有一个工作在稳压状态，一个工作在正向导通状态，因此uo=±

(UZ+UD)

UZ—稳定电压；

UD—正向导通压降。利用电压比较器将正弦波变为方波tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O输出带限幅的过零电压比较器2)任意电压比较器

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR

ui<UR时，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

时，uo=–

Uo

(sat)ui

=UR

时，uo发生跳变输出电压uo发生跃变时的输入电压叫门限电平，所以任意电压比较器的门限电平Uth=UR

参考电压URuouiR2++

–

R1因只有一个门限电压，故又称单限电压比较器

电压传输特性uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1t1t2电路引入正反馈，运放工作于非线性区3)滞回电压比较器Rfuoui++

–

R1R2当uo=+Uo(sat)，则

当uo

=–Uo(sat)，则电压传输特性uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)回差电压：

uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性上限电压下限电压优点：回差电压的存在，也提高了电路的抗干扰能力。只要干扰量不超过回差电压，则输出电压的状态就不会改变。

用途：①波形变换②如果输出带有限幅电路，也可用于模拟电路和数字电路的接口元件

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上限电压

下限电压例：电路如图所示，R1=10k

，R2

=Rf=20k

，

R3=2k

输入波形为三角波，双向稳压管的稳压值UZ=8V，求:

①画出电压传输特性；②画出输出波形。4)电压比较器在汽车电子电路中的应用汽车充电系统电压监视器电路

功能：监视汽车充电系统的电压，当电压过低（小于12V）或过高（大于14.5V）时，报警器发出警报。滤波稳压电路

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