集成運放電路的應用研究

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成與運放電路的多類形態，通過試驗與分析，針對電路不同形態的反饋與開環狀態，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。

隨著對集成電路了解的逐漸加深，其內部的模擬作用發揮的更加廣泛，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值，借助線性與非線性應用，其集成運放的效果可得到切實改善。

1 集成電路的構成

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

依照導電類型的不同，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，參與導電的內部分子只有一種；而雙極型集成電路中多子、少子都要參與到導電狀態中。

根據不同功能，集成電路還可分成數字與模擬集成電路；依照集成度的不同，集成電路的規模可分成大、中、小。具體來說，當其內部僅含有10-100個元器件時，集成電路的規模較小，如集成功放、集成門電路、集成穩壓器與集成運放等；當集成電路的規模較適中時，其會帶有100-1000個元器件，如集成計數器與集成觸發器；大型集成電路會帶有1000-100000個元器件，如部分設備的控制器或儲存器等。

集成電路內部的電阻有金屬膜與擴散電阻，而電容則帶有MOS管與PN結反偏電容，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

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成，一般來講，差分放大器在輸入級中，其對應的電阻值較高；而中間級會將內部電壓放大多倍，一級或兩級的有源負載器作用在該裝置內部；輸出級的電路大多為準互補或互補類型，其帶有穩定的輸出功率；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定。

一方面，針對集成運放的電流源電路，此類電路既能充當偏置電路，即穩定放大器性能，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，當其兩側電壓出現變化時，電流狀態為恒定不變，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，當其處于靜態狀態時，由于其兩管電路中的參數相同，試驗人員可獲取其準確數值。針對共模或差模信號，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。當差分放大器的狀態為動態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，其能構成數模轉換器、電壓比較器與運算電路等。

3.1 線性應用

（1）虛斷與虛短

當運放工作處在理想狀態下時，其輸出電壓值為正無窮，由于u0值帶有限制，會出現理想電流值，即為0。當兩側輸入端出現疑似短路時，其也被稱為“虛短”；而“虛斷”則代表了兩側輸入端疑似斷開。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，才能在其開環增益值較大的情況下保障輸入電壓范圍。

（2）三種不同形態的電路

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，該電路也被稱為電壓并聯的負反饋電路。

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

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”的相關概念，可掌握多種數值，如電流、電阻等，并利用反相加法運算，繼而獲得相應電壓值。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，得到相應電壓值。

例如，某專業人員在研究線性特征下集成運放電路的形態與運行方式，經過仔細研究，其找到了三種放大器的應用差別，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的應用價值。

3.2 非線性應用

集成運放在開展非線性應用的過程中，其多處在反饋或開環狀態，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。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UREF=0V時，且輸入信號的狀態為過零電平時，其輸出電壓將發生較大改變，即由一種電平轉換成另外一種電平，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，可當做波形變換器，其電流的運動形態發生改變，即從三角波變化到方波。

（2）電路運用的規則

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

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零電位器，并連接相關的補償網絡，在連接過程中要防止自激現象的發生，其原因在于會破壞內部放大器的正常使用，因此，補償網絡要設置在集成運放內部，其外部則無需保留補償端。在接好電路以后，要將輸入電壓值調整為零，并從調零電位器中查看輸出電壓值，若其存有數值應將其調節到零。若此工作難以正常開展，則說明電路內部可能存有虛焊、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二極管與限流電阻，其會構成一套完整的輸入保護電路，將內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。為穩定非線性電路中的電壓值，技術人員還可采用兩個形態相同的穩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，該電路就會發生阻塞現象，一般來講，電路內阻塞也被叫做閂鎖或自鎖，當出現該現象時，電路內部的輸出電壓會與兩個極限值相似，且輸入信號難以加入。產生阻塞現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，從而使其內部輸出的管道發生截至或出現飽和。出現該現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的輸入端開展短路工作，不僅能讓電路恢復正常，還會使其運行的更為高效。為更好地防止電路阻塞，技術人員可在部分集成運放中設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：綜上所述，隨著集成運放電路的愈加發展，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，技術人員應找到其內部電阻、電容與電壓間的關系，從而運用更為科學的方法保護電路運行安全，促進其發展。