集成運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 模擬信號運算電路 電壓比較器 課題實驗 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，最后再進行封裝，做成一個完整的電路。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。對于單列直接插式IC的腳位識別：打點或帶小坑的為1腳，按從左到右的順序數(shù)，如圖中6-1-1（a）所示。對于雙列直插式、四方扁平式的腳位識別：從起始腳開始，按逆時針方向數(shù)，一般打點或帶小坑的為1腳，有的IC是以缺口槽為起始標志，正對缺口槽，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，存儲器易出現(xiàn)軟件故障，其它芯片有時會出現(xiàn)虛焊等。對于集成電路是否損壞，可通過從各個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)下進行，測量電阻值則應(yīng)在斷電靜態(tài)狀態(tài)下進行，具體判斷方法如下：1檢查集成電路各管腳對地的直流電壓2檢查集成電路各腳對地電阻值3用示波器檢查集成電路的輸入輸出波形可使用熱風槍，也可使用電烙鐵進行拆卸。對于腳位數(shù)目較多且腳位間距較大的IC，用烙鐵拆卸不方便，一般使用熱風槍進行拆卸。將熱風槍的風力調(diào)到3檔，溫度也調(diào)到了3檔，風嘴沿IC兩邊焊腳上移動加熱，當焊錫熔化時，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，蓋住每個焊腳（如

4、圖6-1-2所示），然后兩邊同時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，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。 開啟熱風槍并調(diào)節(jié)熱風槍的氣流與溫度，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?shù)闹竸?手持熱風槍手柄，使噴嘴對準IC各腳焊點來回移動加熱，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、錫點熔化時，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按原標志放回電路板上，檢查所有引腳是否與相應(yīng)的焊點對準，如有偏差，可適當移動芯片或整理有關(guān)的引腳。 把助焊劑涂在IC各腳上，用烙鐵把IC芯片四個角位焊接定位。 用熱風槍在集成模塊各邊引腳處來回移動逐一吹焊牢固，吹焊時要控制好風速，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。當然焊接的時候，也可以不用熱風槍而用電烙鐵焊接，具體方法是：先用烙鐵把IC芯片四個角位焊接定位，然后電烙鐵加足焊錫和焊劑，溫度調(diào)到450，烙鐵頭接觸IC腳并順著往同一個方向快速拖動，用拖焊的方法，把IC焊牢，如圖6-1-7所示。 什么是集成運算放大器 集成運算放大器組成的幾種基本放大器電路 集成運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。集成運算放大器的符號如圖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，形成一個負反饋放大器。反相放大器的放大倍數(shù)： Af=-Rf/R1式中，Af為負值，表明集成運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uI經(jīng)電阻R2加到同相輸入端，反相輸入端經(jīng)R1接地，負反饋由電阻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與其負載之間的緩沖隔離。如果兩個輸入端都有信號輸入，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輸入信號的差，輸出電壓uo與兩個輸入電壓的關(guān)系是：uo=Af（uI1-uI2）放大倍數(shù)：Af=Rf/R1如果需要對溫度、壓力或形變等進行檢測，可采用圖6-2-6所示的電橋信

9、號放大電路。圖中電橋的一個臂是由傳感器構(gòu)成的。當傳感器的阻值沒有變化時，即R=0時，電橋平衡，電路輸出電壓uO=0；當傳感器因溫度、壓力或其他變化而使傳感元件的電阻值發(fā)生變化時（用R表示），電橋就失去平衡，變化量變成了電信號而產(chǎn)生輸出電壓uO，輸出電壓uO一般很小，需要經(jīng)過放大器進行放大。汽車電噴發(fā)動機中，用來測量進氣量的進氣壓力傳感器就是由壓敏電阻和集成運放制成的。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，捷達型轎車也采用了該傳感器。圖6-2-7所示為壓敏電阻式進氣壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和工作原理。該傳感器有一個通氣口與進氣管相通，進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，壓力越大，輸出信號越強。該信號經(jīng)集成運放放大后傳送給ECU，該進氣壓傳感器與進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庑盘柟怆姸O管、光電三極管或其他光電器件能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。圖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。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，光電二極管的反向電流很小。有光照時，二無光照時，光電二極管的反向電流很小。有光照時，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)過集成運放后，輸出電壓運放后，輸出電壓u uO O=iR=iRf f。汽車自動空調(diào)控制系統(tǒng)中，用作。汽車自動空調(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)部的上述電路進內(nèi)部的上述電路進行信號放大的。行信號放大的。 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)的相同型號是F741。引腳如圖6-3-1所示。LM324雙電源四集成運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，輸入信號加在反相端，是一個反相輸入電壓比較器。信號加在反相端，是一個反相輸入電壓比較器。U UTHTH是基是基準電壓，準電壓，u uI I=u-=u-，U UTHTH=u+=u+。當。當u uI IUUTHTH時，即時，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；當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就是只有一個閾值電壓，當輸入電壓在閾值電壓附近點就是只有一個閾值電壓，當輸入電壓在閾值電壓附近變化時，輸出信號就會發(fā)生跳變。變化時，輸出信號就會發(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警電路。該電路由集成運放LM741、穩(wěn)壓管、發(fā)光二極管及一些電阻組成。進一步：如果基準電壓UTH=0V，那么當輸入信號等于零時，輸出電壓就會

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。當輸入信號從集成運放的同相端輸入，基準信號從反相端輸入時，就構(gòu)成了一個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。圖中輸入信號從反相端輸入，反饋信號作用于同相端，為反相滯回比較器。滯回比較器有兩個閥值電壓UTH1=(RfUR+R2VCC)/(R2+Rf)UTH1=RfUR/(R2+Rf)當輸入電壓UTH2uIUTHL。當輸入

15、電壓uIUTHH時，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。當輸入電壓uIUTH時，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。當輸入電壓UTHLuIUTHH時，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，當電壓過低或過高時，報警器發(fā)出警報，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。當充電系統(tǒng)電

16、壓大于14.5V時，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。當充電系統(tǒng)電壓小于12V時，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。當電壓介于1214.5V之間時，A1反相端檢測到的電壓大于基準電壓，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)指標的測量方法。凌凱汽車電學(xué)基礎(chǔ)實驗箱一臺，DT9208A數(shù)字萬用表一臺。本實驗以美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM317為核心元件，實驗原理圖如圖6-4-1所示。LM317是一個三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路，其輸出電壓范圍是1.2V至37V，負載電流最大為1.5A，它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率比標準的固定穩(wěn)壓也好。LM317內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。實驗箱中用到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