集成運算放大器在汽車上的應用

沈愛蓮

當前,電子學電路的標準已經由以往的晶體管、二極管等分立器件組成的電路變為使用集成運算放大器的電路。雖然三極管具有放大作用,但是由一個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。為了獲得高倍數的放大能力,將多個三極管以級聯的方式構成多級放大電路,是一個較好的方法。隨著電子技術的不斷發展,將各種分立元件的多級放大器集成在一塊半導體芯片內,構成了集成運算放大器,簡稱集成運放。

一、集成運放的工作區域及其應用

集成運放的工作區域可以分為線性放大區和飽和非線性區兩種。在汽車電路中,這兩種區域的使用都很普遍。集成運放電路如果引入負反饋電路,則其工作于線性區域,主要用來構成各種集成運算電路,將微弱的信號進行放大;反之,如果集成運放引入正反饋電路或工作于開環狀態(即沒有引入任何的反饋電路),則它工作于非線性飽和區,主要應用是構成各種電壓比較器。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,與原來的輸入信號進行比較分析,從而得到新的輸入信號(稱為凈輸入量,此信號作為放大電路真正的輸入量),使電路的性能得到改善。

二、集成運算放大器在汽車電路中的主要應用

1.集成運算放大器工作于線性區

集成運放組成的各種運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(即差動運算放大器或減法運算電路)。在汽車電路中,集成運放一般安裝在ECU模塊內部,在外部一般看不到獨立的集成運放。其中,以差分運算放大器組成的電橋放大電路在汽車上的應用比較典型。此電路可以對溫度、壓力或變形等進行檢測。這種電路廣泛應用于汽車電噴發動機中。

2.集成運算放大器工作于非線性區域

工作于非線性飽和區時,集成運放電路構成了各種電壓比較器。比較器就是將兩個輸入電壓進行比較,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。構成的比較器中最常見的應用電路有三種形式:簡單電壓比較器、滯回電壓比較器和窗口電壓比較器。

(1)簡單電壓比較器在汽車電路中的應用。這種電壓比較器的特點是電壓傳輸特性只有一個閾值電壓。當輸入電壓在閾值電壓附近發生變化時,輸出信號就會跳變,如在電噴發動機中用作氧傳感器與ECU之間的信號傳遞電路。假設ECU設定0.45v為基準電壓,即閾值電壓。當氧傳感器信號電壓大于此電壓時,簡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,當氧傳感器信號電壓小于基準電壓時,簡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成蓄電池電壓報警電路。如果蓄電池的電壓過低(小于10V),比較器的輸出為低電平,發光二極管發光,表示蓄電池電壓過低;反之,當蓄電池電壓高于10V時,比較器輸出為高電平,發光二極管不發光,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用。滯回電壓比較器傳輸特性的特點是有兩個閾值電壓。輸入電壓從小變大或從大變小的不同過程中,輸出電壓發生跳變的閾值電壓不同。在汽車ABS(電控防抱死)系統中,車輪的轉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系統連接在一起的觸發齒圈、霍爾元件、永久磁鐵,以及由滯回比較器構成的電子電路等部件組成。當觸發齒圈隨著車輪旋轉時,霍爾元件上的磁場發生周期性變化,霍爾元件就會產生霍爾電壓。但是,這個電壓很小,是毫伏級的正弦波電壓,所以需要由集成運放組成的放大電路進行放大。

(3)窗口電壓比較器在汽車電路中的應用。窗口電壓比較器有兩個閾值電壓,當輸入電壓單方向變化時,可以跳變2次。這種用法在汽車充電系統中具有重要作用。在充電系統中,電壓過高或過低時,報警器發出報警信號。當充電系統電壓大于14.5v或小于12v時,窗口電壓比較器的輸出均為高電平,驅動三極管開關電路,指示燈亮,表示充電系統電壓異常;當充電電壓介于12與14.5v之間,窗口電壓比較器的輸出電壓為低電平,三極管開關電路斷開,指示燈都不亮,指示充電系統電壓正常。

(作者單位:浙江省汽車職業技術學院)