集成運(yùn)算放大器在汽車電子中的應(yīng)用

1、 集成電路的基礎(chǔ)知識(shí) 模擬信號(hào)運(yùn)算電路 電壓比較器 課題實(shí)驗(yàn) 集成電路的分類 集成電路腳位序列的判定規(guī)則 集成電路的檢測 集成電路的焊接集成電路簡稱IC（Integrated Circuit），是通過特殊的半導(dǎo)體工藝方法，把晶體管、電阻及電容等電路元器件和它們之間的連線，全部集成在同一塊半導(dǎo)體基片上，最后再進(jìn)行封裝，做成一個(gè)完整的電路。集成電路按其功能的不同，可以分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路；按模擬集成電路的類型來分，則又有集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成高頻放大器、集成中頻放大器、集成比較器、集成乘法器、集成穩(wěn)壓器、集成數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及集成鎖相環(huán)等。汽車中的集成電路常用的外形有

2、三種：單列直插式、雙列直插式、四方扁平式，如圖6-1-1所示。對(duì)于單列直接插式IC的腳位識(shí)別：打點(diǎn)或帶小坑的為1腳，按從左到右的順序數(shù)，如圖中6-1-1（a）所示。對(duì)于雙列直插式、四方扁平式的腳位識(shí)別：從起始腳開始，按逆時(shí)針方向數(shù)，一般打點(diǎn)或帶小坑的為1腳，有的IC是以缺口槽為起始標(biāo)志，正對(duì)缺口槽，左下腳就為1腳，如圖6-1-1中（b）、6-1-1（c）所示。集成電路出現(xiàn)故障一般是局部損壞，如擊穿、開路、短路等。電源集成電路和功放芯片易損壞，存儲(chǔ)器易出現(xiàn)軟件故障，其它芯片有時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊等。對(duì)于集成電路是否損壞，可通過從各個(gè)方面測試集成電路的工作狀態(tài)，并與正常工作狀態(tài)作比較的方法來判斷。即測量集

3、成電路各引腳的對(duì)地電壓值和電阻值，其中測量電壓值必須在電路處于工作狀態(tài)下進(jìn)行，測量電阻值則應(yīng)在斷電靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行，具體判斷方法如下：1檢查集成電路各管腳對(duì)地的直流電壓2檢查集成電路各腳對(duì)地電阻值3用示波器檢查集成電路的輸入輸出波形可使用熱風(fēng)槍，也可使用電烙鐵進(jìn)行拆卸。對(duì)于腳位數(shù)目較多且腳位間距較大的IC，用烙鐵拆卸不方便，一般使用熱風(fēng)槍進(jìn)行拆卸。將熱風(fēng)槍的風(fēng)力調(diào)到3檔，溫度也調(diào)到了3檔，風(fēng)嘴沿IC兩邊焊腳上移動(dòng)加熱，當(dāng)焊錫熔化時(shí)，就可用鑷子取下IC了。具體操作是：用電烙鐵把焊錫熔化加到IC兩邊的焊腳并短路（即左邊短接在一起，右邊短接在一起，電烙鐵溫度可調(diào)到最高），焊錫盡量多些，蓋住每個(gè)焊腳（如

4、圖6-1-2所示），然后兩邊同時(shí)輪流加熱即加熱一下左邊又加熱一下右邊，等焊錫全部熔化時(shí)，用鑷子移開IC。用電烙鐵把主板上多余的焊錫除掉并清理焊盤，把IC焊腳上多余的焊錫也清除掉，保證IC焊腳平整。 開啟熱風(fēng)槍并調(diào)節(jié)熱風(fēng)槍的氣流與溫度，一般溫度調(diào)節(jié)在300400之間，而氣流方面根據(jù)噴嘴來定，如果是單噴嘴，氣流檔位設(shè)置在1-3檔，其它噴嘴，氣流可設(shè)置在4-6檔，使用單噴嘴，溫度檔不可設(shè)置太高。 記下待拆卸IC的位置和方向，并在IC引腳上涂上適當(dāng)?shù)闹竸?手持熱風(fēng)槍手柄，使噴嘴對(duì)準(zhǔn)IC各腳焊點(diǎn)來回移動(dòng)加熱，噴嘴不可觸及集成電路塊引腳，一般距離IC引腳上方6mm左右，如圖6-1-3所示。 待IC腳焊

5、錫點(diǎn)熔化時(shí)，用鑷子移開IC，如圖6-1-4所示。 清除取下集成電路后余錫及焊劑雜質(zhì)（可用無水酒精或天那水清除焊劑雜質(zhì)，用936電烙鐵把電路板上的焊盤整理平整）如圖6-1-5所示。 將拆卸下來的IC用無水酒精或天那水進(jìn)行清洗，用烙鐵將腳位焊平整，并放在帶燈放大鏡下檢查腳位有無離位，有無癡錫短路，如有則重新進(jìn)行處理，如是新買回的IC則不需此步處理。 將整理好的IC按原標(biāo)志放回電路板上，檢查所有引腳是否與相應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，如有偏差，可適當(dāng)移動(dòng)芯片或整理有關(guān)的引腳。 把助焊劑涂在IC各腳上，用烙鐵把IC芯片四個(gè)角位焊接定位。 用熱風(fēng)槍在集成模塊各邊引腳處來回移動(dòng)逐一吹焊牢固，吹焊時(shí)要控制好風(fēng)速，防止把模

6、塊吹移位，如發(fā)現(xiàn)模塊位置稍有偏差，可待四周焊錫完全溶解后，用鑷子將其輕推一下，即可復(fù)位，然后用鑷子在IC上面輕輕向下壓一下，使其與電路板接觸良好，如圖6-1-6所示。 清洗助焊劑，檢查電路板上有無錫珠、錫絲引起的短路現(xiàn)象，待IC冷卻后方可通電試機(jī)。當(dāng)然焊接的時(shí)候，也可以不用熱風(fēng)槍而用電烙鐵焊接，具體方法是：先用烙鐵把IC芯片四個(gè)角位焊接定位，然后電烙鐵加足焊錫和焊劑，溫度調(diào)到450，烙鐵頭接觸IC腳并順著往同一個(gè)方向快速拖動(dòng)，用拖焊的方法，把IC焊牢，如圖6-1-7所示。 什么是集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器組成的幾種基本放大器電路 集成運(yùn)算放大器在汽車電子電路中的應(yīng)用把電子系統(tǒng)的輸出量（電壓

7、或電流）的一部分或全部，經(jīng)過一定的電路送回到它的輸入端，稱為反饋。如果引入的反饋使放大電路的放大倍數(shù)降低，就稱為負(fù)反饋；如果引入的反饋使放大電路的放大倍數(shù)增大，就稱為正反饋。集成運(yùn)算放大器的符號(hào)如圖6-2-1所示。反相放大器電路如圖6-2-2所示。輸入信號(hào)uI經(jīng)電阻R1加到反相輸入端，同相輸入端經(jīng)R2接地，電阻Rf跨接在反相輸入端和輸出端之間，形成一個(gè)負(fù)反饋放大器。反相放大器的放大倍數(shù)： Af=-Rf/R1式中，Af為負(fù)值，表明集成運(yùn)放輸出電壓與輸入電壓反相，所以叫反相放大器。而且，Af僅取決于Rf /R1的比值，而與集成運(yùn)放本身無關(guān)。電阻R2叫平衡電阻，其作用是保證放大器穩(wěn)定工作。同相放大器

8、電路如圖6-2-3所示。輸入信號(hào)uI經(jīng)電阻R2加到同相輸入端，反相輸入端經(jīng)R1接地，負(fù)反饋由電阻R，接到反相輸入端而形成。放大倍數(shù)：Af=1+Rf/R1Af大于零，表明輸出電壓uO與輸入電壓uI同相。如果將R1=（開路）或Rf =0，則Af=1。構(gòu)成的電路稱為電壓跟隨器，如圖6-2-4所示。電壓跟隨器一般作為信號(hào)與其負(fù)載之間的緩沖隔離。如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，就構(gòu)成了差分放大器，如圖6-2-4所示。差分放大器放大能是兩個(gè)輸入信號(hào)的差，輸出電壓uo與兩個(gè)輸入電壓的關(guān)系是：uo=Af（uI1-uI2）放大倍數(shù)：Af=Rf/R1如果需要對(duì)溫度、壓力或形變等進(jìn)行檢測，可采用圖6-2-6所示的電橋信

9、號(hào)放大電路。圖中電橋的一個(gè)臂是由傳感器構(gòu)成的。當(dāng)傳感器的阻值沒有變化時(shí)，即R=0時(shí)，電橋平衡，電路輸出電壓uO=0；當(dāng)傳感器因溫度、壓力或其他變化而使傳感元件的電阻值發(fā)生變化時(shí)（用R表示），電橋就失去平衡，變化量變成了電信號(hào)而產(chǎn)生輸出電壓uO，輸出電壓uO一般很小，需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大。汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，用來測量進(jìn)氣量的進(jìn)氣壓力傳感器就是由壓敏電阻和集成運(yùn)放制成的。這種傳感器被美國通用汽車公司、日本豐田汽車公司等汽車公司廣泛采用，捷達(dá)型轎車也采用了該傳感器。圖6-2-7所示為壓敏電阻式進(jìn)氣壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理。該傳感器有一個(gè)通氣口與進(jìn)氣管相通，進(jìn)氣壓力通過該口加到壓力轉(zhuǎn)換元件上。

10、壓力轉(zhuǎn)換元件是由四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成的硅膜片。硅膜片受壓力變形后，電橋輸出信號(hào)，壓力越大，輸出信號(hào)越強(qiáng)。該信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放放大后傳送給ECU，該進(jìn)氣壓傳感器與進(jìn)氣溫度傳感器制成一體，它的外形如圖6-2-8所示。光電二極管、光電三極管或其他光電器件能夠?qū)⒐庑盘?hào)光電二極管、光電三極管或其他光電器件能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。圖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。圖6-2-96-2-9所示為一種最簡單的光電測量電路。所示為一種最簡單的光電測量電路。無光照時(shí)，光電二極管的反向電流很小。有光照時(shí)，二無光照時(shí)，光電二極管的反向電流很小。有光照時(shí)，二極管有光電流流過，光的照度越大，光電流越大，經(jīng)過集成極管有光電流流過，光的照度越大，光電

11、流越大，經(jīng)過集成運(yùn)放后，輸出電壓運(yùn)放后，輸出電壓u uO O=iR=iRf f。汽車自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)中，用作。汽車自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)中，用作檢測日照量的傳感器就是經(jīng)過設(shè)置在檢測日照量的傳感器就是經(jīng)過設(shè)置在ECUECU內(nèi)部的上述電路進(jìn)內(nèi)部的上述電路進(jìn)行信號(hào)放大的。行信號(hào)放大的。 幾種典型電壓比較器 電壓比較器在汽車電子電路中的應(yīng)用LM741雙電源單集成運(yùn)算放大器是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，國內(nèi)的相同型號(hào)是F741。引腳如圖6-3-1所示。LM324雙電源四集成運(yùn)算放大器是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，國內(nèi)的相同型號(hào)是F324。引腳如圖6-3-2所示。LM339單電源四比較器是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，

12、國內(nèi)的相同型號(hào)是F339。引腳如圖6-3-3所示。簡單電壓比較器的電路如圖簡單電壓比較器的電路如圖6-3-46-3-4（a a）所示，輸入）所示，輸入信號(hào)加在反相端，是一個(gè)反相輸入電壓比較器。信號(hào)加在反相端，是一個(gè)反相輸入電壓比較器。U UTHTH是基是基準(zhǔn)電壓，準(zhǔn)電壓，u uI I=u-=u-，U UTHTH=u+=u+。當(dāng)。當(dāng)u uI IUUTHTH時(shí)，即時(shí)，即u-u+u-u+，比較器，比較器輸出等于零，即輸出等于零，即u uO O=0=0；當(dāng)；當(dāng)u uI IUu-u-，比較器輸，比較器輸出出u uO O= =VCCVCC其傳輸特性如圖其傳輸特性如圖6-3-46-3-4（b b）所示。）所

13、示。比較器的輸出發(fā)生跳變的條件是：比較器的輸出發(fā)生跳變的條件是：u uI I=U=UTHTH，通常將，通常將U UTHTH稱為閾值電壓（或門檻電壓）。簡單電壓比較器的特稱為閾值電壓（或門檻電壓）。簡單電壓比較器的特點(diǎn)就是只有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓在閾值電壓附近點(diǎn)就是只有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓在閾值電壓附近變化時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生跳變。變化時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生跳變。如圖6-3-5所示為氧傳感器與ECU連線原理圖。操作：如圖6-3-6所示為蓄電池電壓過低報(bào)警電路。該電路由集成運(yùn)放LM741、穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管及一些電阻組成。進(jìn)一步：如果基準(zhǔn)電壓UTH=0V，那么當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，輸出電壓就會(huì)

14、發(fā)生跳變，這種比較器又稱為過零比較器，其電路和傳輸特性如圖6-3-7所示。當(dāng)輸入信號(hào)從集成運(yùn)放的同相端輸入，基準(zhǔn)信號(hào)從反相端輸入時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)同相輸入電壓比較器，其傳輸特性與反相輸入電壓比較器正好相反，如圖6-3-8所示。討論：分析圖6-3-8所示同相輸入簡單電壓比較器的工作原理，畫出傳輸特性。在簡單電壓比較器的基礎(chǔ)上加正反饋就構(gòu)成了滯回電壓比較器，電路結(jié)構(gòu)如圖6-3-9（a）所示。圖中輸入信號(hào)從反相端輸入，反饋信號(hào)作用于同相端，為反相滯回比較器。滯回比較器有兩個(gè)閥值電壓UTH1=(RfUR+R2VCC)/(R2+Rf)UTH1=RfUR/(R2+Rf)當(dāng)輸入電壓UTH2uIUTHL。當(dāng)輸入

15、電壓uIUTHH時(shí)，uIUTHL，則輸出電壓u01=UOH，二極管VD1導(dǎo)通；u02=UOL，VD2截止，輸出電壓u0u01=UOH。當(dāng)輸入電壓uIUTH時(shí)，uIUTHH，則輸出電壓u01=UOL，二極管VD1截止；u02=UOH，VD2導(dǎo)通，輸出電壓u0u02=UOH。當(dāng)輸入電壓UTHLuIUTHH時(shí)，輸出電壓u01=u02=UOL二極管VDI、VD2都截止，輸出電壓u02=0V。UTHL和UTHH是窗口比較器的兩個(gè)閾值電壓。其傳輸特性如圖6-3-14（b）所示。在汽車充電系統(tǒng)電路中，當(dāng)電壓過低或過高時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，這就是汽車充電系統(tǒng)電壓監(jiān)視器電路。電路如圖6-3-15所示。當(dāng)充電系統(tǒng)電

16、壓大于14.5V時(shí)，A1反相端檢測到的電壓和同相端檢測到的電壓都大于基準(zhǔn)電壓，比較器A1輸出電壓為零，三極管VT1不能導(dǎo)通，LED1（黃色）)不亮；比較器A2輸出電壓為電源電壓，驅(qū)動(dòng)三極管VT2導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED2（紅色）發(fā)光，指示電壓過高。當(dāng)充電系統(tǒng)電壓小于12V時(shí)，A1反相端檢測到的電壓和A2同相端檢測到的電壓都小于基準(zhǔn)電壓，比較器A2輸出電壓為零，三極管VT2不能導(dǎo)通，LED2（紅色）不亮；比較器A1輸出電壓為電源電壓，驅(qū)動(dòng)三極管VT1導(dǎo)通，發(fā)光二極管LED1（黃色）發(fā)光，指示電壓過低。當(dāng)電壓介于1214.5V之間時(shí)，A1反相端檢測到的電壓大于基準(zhǔn)電壓，比較器A1輸出電壓為零，三極管

17、VT1不能導(dǎo)通。A2同相端檢測到的電壓小于基準(zhǔn)電壓，比較器A2輸出電壓為零，三極管VT2不能導(dǎo)通。LED1（黃色）和LED2（紅色）都不亮，指示電壓正常。1熟悉和掌握線性集成穩(wěn)壓電源電路的工作原理。2學(xué)習(xí)線性集成穩(wěn)壓電源電路技術(shù)指標(biāo)的測量方法。凌凱汽車電學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)，DT9208A數(shù)字萬用表一臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)以美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM317為核心元件，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6-4-1所示。LM317是一個(gè)三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路，其輸出電壓范圍是1.2V至37V，負(fù)載電流最大為1.5A，它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓也好。LM317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。實(shí)驗(yàn)箱中用到LM317封裝定義如圖6-4-2。在圖6-4-2中其VOUT滿足如下關(guān)系式： VOUT=1.25V(1+R6/R5)+IADJ(R5)所以調(diào)整R5的大小就能改變VOUT。1將可變電阻R5逆時(shí)針旋到底，斷開S4，測量R5的電阻，即用萬用表測量R5的左下腳