集成运算放大器在汽车上的应用

沈爱莲

当前,电子学电路的标准已经由以往的晶体管、二极管等分立器件组成的电路变为使用集成运算放大器的电路。虽然三极管具有放大作用,但是由一个三极管组成的放大电路,其放大能力是有限的。所以,在汽车电路中,一般不常使用。为了获得高倍数的放大能力,将多个三极管以级联的方式构成多级放大电路,是一个较好的方法。随着电子技术的不断发展,将各种分立元件的多级放大器集成在一块半导体芯片内,构成了集成运算放大器,简称集成运放。

一、集成运放的工作区域及其应用

集成运放的工作区域可以分为线性放大区和饱和非线性区两种。在汽车电路中,这两种区域的使用都很普遍。集成运放电路如果引入负反馈电路,则其工作于线性区域,主要用来构成各种集成运算电路,将微弱的信号进行放大;反之,如果集成运放引入正反馈电路或工作于开环状态(即没有引入任何的反馈电路),则它工作于非线性饱和区,主要应用是构成各种电压比较器。所谓反馈,就是将电路输出的一部分或全部(如输出电压、或输出电流等),通过反馈回路重新送回到输入端,与原来的输入信号进行比较分析,从而得到新的输入信号(称为净输入量,此信号作为放大电路真正的输入量),使电路的性能得到改善。

二、集成运算放大器在汽车电路中的主要应用

1.集成运算放大器工作于线性区

集成运放组成的各种运算放大电路主要有反向比例放大器、同相比例放大器和差分放大器(即差动运算放大器或减法运算电路)。在汽车电路中,集成运放一般安装在ECU模块内部,在外部一般看不到独立的集成运放。其中,以差分运算放大器组成的电桥放大电路在汽车上的应用比较典型。此电路可以对温度、压力或变形等进行检测。这种电路广泛应用于汽车电喷发动机中。

2.集成运算放大器工作于非线性区域

工作于非线性饱和区时,集成运放电路构成了各种电压比较器。比较器就是将两个输入电压进行比较,比较的可能(即电路的输出)只有两种,要么是低电平,要么是高电平。在汽车电路中,常用的比较器有LM741、LM324和LM339。构成的比较器中最常见的应用电路有三种形式:简单电压比较器、滞回电压比较器和窗口电压比较器。

(1)简单电压比较器在汽车电路中的应用。这种电压比较器的特点是电压传输特性只有一个阈值电压。当输入电压在阈值电压附近发生变化时,输出信号就会跳变,如在电喷发动机中用作氧传感器与ECU之间的信号传递电路。假设ECU设定0.45v为基准电压,即阈值电压。当氧传感器信号电压大于此电压时,简单电压比较器输出为0(即低电平),ECU判断混合气过稀,增加喷油量;反之,当氧传感器信号电压小于基准电压时,简单电压比较器输出为5v(即高电平),ECU判断混合气过浓,减少喷油量。此外,这种电压比较器还可以构成蓄电池电压报警电路。如果蓄电池的电压过低(小于10V),比较器的输出为低电平,发光二极管发光,表示蓄电池电压过低;反之,当蓄电池电压高于10V时,比较器输出为高电平,发光二极管不发光,表示蓄电池电压正常。

(2)滞回电压比较器在汽车电路中的应用。滞回电压比较器传输特性的特点是有两个阈值电压。输入电压从小变大或从大变小的不同过程中,输出电压发生跳变的阈值电压不同。在汽车ABS(电控防抱死)系统中,车轮的转速是靠轮速传感器来传递给ECU的。霍尔轮速传感器是其中的一种,它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,以及由滞回比较器构成的电子电路等部件组成。当触发齿圈随着车轮旋转时,霍尔元件上的磁场发生周期性变化,霍尔元件就会产生霍尔电压。但是,这个电压很小,是毫伏级的正弦波电压,所以需要由集成运放组成的放大电路进行放大。

(3)窗口电压比较器在汽车电路中的应用。窗口电压比较器有两个阈值电压,当输入电压单方向变化时,可以跳变2次。这种用法在汽车充电系统中具有重要作用。在充电系统中,电压过高或过低时,报警器发出报警信号。当充电系统电压大于14.5v或小于12v时,窗口电压比较器的输出均为高电平,驱动三极管开关电路,指示灯亮,表示充电系统电压异常;当充电电压介于12与14.5v之间,窗口电压比较器的输出电压为低电平,三极管开关电路断开,指示灯都不亮,指示充电系统电压正常。

(作者单位:浙江省汽车职业技术学院)