集成運放電路的應(yīng)用研究

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 王劍輝

本文將詳細介紹集成電路的構(gòu)成與運放電路的多類形態(tài)，通過試驗與分析，針對電路不同形態(tài)的反饋與開環(huán)狀態(tài)，采用了線性與非線性法，從而觀察到集成運放電路的實際狀態(tài)。

隨著對集成電路了解的逐漸加深，其內(nèi)部的模擬作用發(fā)揮的更加廣泛，通過模擬范圍的擴大，此類電路并不滿足于僅模擬計算機中的數(shù)值，借助線性與非線性應(yīng)用，其集成運放的效果可得到切實改善。

1 集成電路的構(gòu)成

集成電路包含電容、電阻、晶體管與連接導(dǎo)線等，所有物質(zhì)都被放置在較小的硅片中，在加以封裝并連接電源后則構(gòu)成了功能性較強的電路。

依照導(dǎo)電類型的不同，集成電路可分為單極型與雙極型，在單極型集成電路中多子、空穴或自由電子中，參與導(dǎo)電的內(nèi)部分子只有一種；而雙極型集成電路中多子、少子都要參與到導(dǎo)電狀態(tài)中。

根據(jù)不同功能，集成電路還可分成數(shù)字與模擬集成電路；依照集成度的不同，集成電路的規(guī)?？煞殖纱蟆⒅?、小。具體來說，當(dāng)其內(nèi)部僅含有10-100個元器件時，集成電路的規(guī)模較小，如集成功放、集成門電路、集成穩(wěn)壓器與集成運放等；當(dāng)集成電路的規(guī)模較適中時，其會帶有100-1000個元器件，如集成計數(shù)器與集成觸發(fā)器；大型集成電路會帶有1000-100000個元器件，如部分設(shè)備的控制器或儲存器等。

集成電路內(nèi)部的電阻有金屬膜與擴散電阻，而電容則帶有MOS管與PN結(jié)反偏電容，在其受到工藝限制的情況下，電容與電阻值較低。

2 集成運放電路的形態(tài)

集成運放屬于多級放大器，其主要由輸入級、中間級、輸出級與配置電路構(gòu)成，一般來講，差分放大器在輸入級中，其對應(yīng)的電阻值較高；而中間級會將內(nèi)部電壓放大多倍，一級或兩級的有源負載器作用在該裝置內(nèi)部；輸出級的電路大多為準(zhǔn)互補或互補類型，其帶有穩(wěn)定的輸出功率；集成運放中的配置電路則是為了使各級放大器的運行更為穩(wěn)定。

一方面，針對集成運放的電流源電路，此類電路既能充當(dāng)偏置電路，即穩(wěn)定放大器性能，還能為放大器提供負載，也被叫做有源負載。通常來講，最為理想的電流源屬恒流源，當(dāng)其兩側(cè)電壓出現(xiàn)變化時，電流狀態(tài)為恒定不變，即ΔI=0，因而其交流電阻與直流電阻的值較小。

另一方面，集成運放電路中還包含差分放大器，當(dāng)其在零點漂移時影響最大屬第一級零漂。在分析典型的差分放大器時，當(dāng)其處于靜態(tài)狀態(tài)時，由于其兩管電路中的參數(shù)相同，試驗人員可獲取其準(zhǔn)確數(shù)值。針對共?；虿钅Ｐ盘?，具體來說，差模信號的主要含義為一對極性相反、大小相同的信號。輸入端接收到的差模信號為差模輸入，而電路整體的差模輸入值為兩個輸入信號間的差；大小相等、極性也相同的一對信號為共模信號，因而任一輸入端的共模信號都叫共模輸入。當(dāng)差分放大器的狀態(tài)為動態(tài)時其更依賴于共模信號，借助相同的交流量，其共模交流通路相似。

3 集成運放電路的實際運用

集成運放屬通用器件，其擁有著廣泛運用，基于其本身的線性或非線性特征，其能構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器與運算電路等。

3.1 線性應(yīng)用

（1）虛斷與虛短

當(dāng)運放工作處在理想狀態(tài)下時，其輸出電壓值為正無窮，由于u0值帶有限制，會出現(xiàn)理想電流值，即為0。當(dāng)兩側(cè)輸入端出現(xiàn)疑似短路時，其也被稱為“虛短”；而“虛斷”則代表了兩側(cè)輸入端疑似斷開。基于理想運放的不可操作性，只要實際情況與分析結(jié)果的誤差較小，即可視為理想運放。集成運放還要適時引入深度負反饋機制，才能在其開環(huán)增益值較大的情況下保障輸入電壓范圍。

（2）三種不同形態(tài)的電路

其一，在反向放大器中，其具體的電路圖如圖1所示，輸入電壓u1在經(jīng)過輸入端電阻時進入到反相輸入端中，由于RF為反饋電阻，其與補償電阻或平衡電阻，即Rf相互作用，兩者間的主要目的為使輸入端中的兩個外接電阻值相同，從而讓電路達到平衡狀態(tài)，該電路也被稱為電壓并聯(lián)的負反饋電路。

在進行計算時，依照“虛短”概念，u+=u-，當(dāng)i+=0時，其u+=i+Rf=0V，則u-=0V，在完成相應(yīng)計算后，試驗人員可發(fā)現(xiàn)相同的輸入電阻值。

圖1 反相放大器的電路圖

其二，集成運放電路中還帶有同相放大器，其實際操作方式與反相放大器相似，但不同之處在于其輸入的方向為同相，再借助電壓反饋到反相輸入端中，因而其屬于電壓串聯(lián)的負反饋電路。

其三，差分放大器也包含在集成運放電路中，通過計算可獲取其輸入電壓差值與輸出電壓，二者間呈成比例。

（3）電路運算

在掌握了線性的集成運放電路的多種形態(tài)后，其可主要運用到電路運算中，比如，在進行加法運算時，借助“虛斷”與“虛短”的相關(guān)概念，可掌握多種數(shù)值，如電流、電阻等，并利用反相加法運算，繼而獲得相應(yīng)電壓值。在開展加減運算的過程中，運算人員可利用已知的電阻值，通過對加減運算電路的掌握，得到相應(yīng)電壓值。

例如，某專業(yè)人員在研究線性特征下集成運放電路的形態(tài)與運行方式，經(jīng)過仔細研究，其找到了三種放大器的應(yīng)用差別，并利用多種已知公式，更好的使用在電路計算中，提升了此類電路形態(tài)的應(yīng)用價值。

3.2 非線性應(yīng)用

集成運放在開展非線性應(yīng)用的過程中，其多處在反饋或開環(huán)狀態(tài)，雖然u+與u-的差別較小，但因為Aod的值為無窮，其輸出電壓也能達到飽和狀態(tài)。因此，若u+＞u-，其集成運放會輸出高電平，輸出高電平的符號為UOH，即uo=UOH；若u-＞u+，集成運放則會輸出低電平，其符號為UOL，即uo=UOL。

（1）運用在多類比較器中

其一，當(dāng)非線性的集成運放電路進入到基本比較器中，其輸入信號進入到反相輸入端中，試驗人員可設(shè)定R為限流電阻、參考電壓的符號為UREF，依照非線性特征的兩個公式，其可得到輸入與輸出的電壓關(guān)系曲線，也被叫做傳輸特性。其二，在過零比較器中也能找到集成運放電路，當(dāng)UREF=0V時，且輸入信號的狀態(tài)為過零電平時，其輸出電壓將發(fā)生較大改變，即由一種電平轉(zhuǎn)換成另外一種電平，因此，該比較器為過零比較器。此類比較器在實際運用的過程中，可當(dāng)做波形變換器，其電流的運動形態(tài)發(fā)生改變，即從三角波變化到方波。

（2）電路運用的規(guī)則

集成運放電路主要有專用型與通用型，專用型的內(nèi)部性能帶有諸多優(yōu)勢，如高壓、高速、低功耗、高精度且輸入阻抗較高；而通用型的優(yōu)勢則為價格低廉、產(chǎn)量較大、應(yīng)用廣泛等。在開展正式應(yīng)用前，技術(shù)或試驗人員要仔細翻閱與集成電路相關(guān)的手冊，依照自身需要選擇對應(yīng)的型號，通常來講，要以通用型為主，再查看其參數(shù)是否達到自身要求，繼而根據(jù)手冊內(nèi)部的外部接線要求適當(dāng)修改電路。

首先，在進行非線性電路連接時，試驗人員需依照特定要求適時連接調(diào)零電位器，并連接相關(guān)的補償網(wǎng)絡(luò)，在連接過程中要防止自激現(xiàn)象的發(fā)生，其原因在于會破壞內(nèi)部放大器的正常使用，因此，補償網(wǎng)絡(luò)要設(shè)置在集成運放內(nèi)部，其外部則無需保留補償端。在接好電路以后，要將輸入電壓值調(diào)整為零，并從調(diào)零電位器中查看輸出電壓值，若其存有數(shù)值應(yīng)將其調(diào)節(jié)到零。若此工作難以正常開展，則說明電路內(nèi)部可能存有虛焊、接線有誤或集成運放損壞。

其次，為提升集成運放的安全性，試驗人員需利用多種措施更好地保護電路，在采用電源反接的方法保護電路時，其內(nèi)部的二極管會因反偏而影響電流移動，從而起到保護電路的作用。在保護電路期間，在其輸入與輸出端會出現(xiàn)二極管與限流電阻，其會構(gòu)成一套完整的輸入保護電路，將內(nèi)部的輸入電壓值控制在0.7V左右，而利用輸出保護電路中的穩(wěn)壓管與限流電阻，能有效避免輸出端短路或因外部高壓而造成的集成運放損害。為穩(wěn)定非線性電路中的電壓值，技術(shù)人員還可采用兩個形態(tài)相同的穩(wěn)壓管巧妙串接后放置到密封的管殼中。

最后，在運用集成運放電路的過程中，若稍不注意，該電路就會發(fā)生阻塞現(xiàn)象，一般來講，電路內(nèi)阻塞也被叫做閂鎖或自鎖，當(dāng)出現(xiàn)該現(xiàn)象時，電路內(nèi)部的輸出電壓會與兩個極限值相似，且輸入信號難以加入。產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象的主要原因為集成運放的輸入信號過大或遭受較強干擾，從而使其內(nèi)部輸出的管道發(fā)生截至或出現(xiàn)飽和。出現(xiàn)該現(xiàn)象后最為有效的處理措施為立即切斷電源，在重新連接電路的過程中將集成運放兩側(cè)的輸入端開展短路工作，不僅能讓電路恢復(fù)正常，還會使其運行的更為高效。為更好地防止電路阻塞，技術(shù)人員可在部分集成運放中設(shè)計帶有防阻塞電路的裝置，也可在輸入端限幅，此類措施都能起到保護電路的作用。

總結(jié)：綜上所述，隨著集成運放電路的愈加發(fā)展，其生成的型號也越來越多，通過對線性與非線性的深入研究，技術(shù)人員應(yīng)找到其內(nèi)部電阻、電容與電壓間的關(guān)系，從而運用更為科學(xué)的方法保護電路運行安全，促進其發(fā)展。