集成运放电路的应用研究

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 王剑辉

本文将详细介绍集成电路的构成与运放电路的多类形态，通过试验与分析，针对电路不同形态的反馈与开环状态，采用了线性与非线性法，从而观察到集成运放电路的实际状态。

随着对集成电路了解的逐渐加深，其内部的模拟作用发挥的更加广泛，通过模拟范围的扩大，此类电路并不满足于仅模拟计算机中的数值，借助线性与非线性应用，其集成运放的效果可得到切实改善。

1 集成电路的构成

集成电路包含电容、电阻、晶体管与连接导线等，所有物质都被放置在较小的硅片中，在加以封装并连接电源后则构成了功能性较强的电路。

依照导电类型的不同，集成电路可分为单极型与双极型，在单极型集成电路中多子、空穴或自由电子中，参与导电的内部分子只有一种；而双极型集成电路中多子、少子都要参与到导电状态中。

根据不同功能，集成电路还可分成数字与模拟集成电路；依照集成度的不同，集成电路的规模可分成大、中、小。具体来说，当其内部仅含有10-100个元器件时，集成电路的规模较小，如集成功放、集成门电路、集成稳压器与集成运放等；当集成电路的规模较适中时，其会带有100-1000个元器件，如集成计数器与集成触发器；大型集成电路会带有1000-100000个元器件，如部分设备的控制器或储存器等。

集成电路内部的电阻有金属膜与扩散电阻，而电容则带有MOS管与PN结反偏电容，在其受到工艺限制的情况下，电容与电阻值较低。

2 集成运放电路的形态

集成运放属于多级放大器，其主要由输入级、中间级、输出级与配置电路构成，一般来讲，差分放大器在输入级中，其对应的电阻值较高；而中间级会将内部电压放大多倍，一级或两级的有源负载器作用在该装置内部；输出级的电路大多为准互补或互补类型，其带有稳定的输出功率；集成运放中的配置电路则是为了使各级放大器的运行更为稳定。

一方面，针对集成运放的电流源电路，此类电路既能充当偏置电路，即稳定放大器性能，还能为放大器提供负载，也被叫做有源负载。通常来讲，最为理想的电流源属恒流源，当其两侧电压出现变化时，电流状态为恒定不变，即ΔI=0，因而其交流电阻与直流电阻的值较小。

另一方面，集成运放电路中还包含差分放大器，当其在零点漂移时影响最大属第一级零漂。在分析典型的差分放大器时，当其处于静态状态时，由于其两管电路中的参数相同，试验人员可获取其准确数值。针对共模或差模信号，具体来说，差模信号的主要含义为一对极性相反、大小相同的信号。输入端接收到的差模信号为差模输入，而电路整体的差模输入值为两个输入信号间的差；大小相等、极性也相同的一对信号为共模信号，因而任一输入端的共模信号都叫共模输入。当差分放大器的状态为动态时其更依赖于共模信号，借助相同的交流量，其共模交流通路相似。

3 集成运放电路的实际运用

集成运放属通用器件，其拥有着广泛运用，基于其本身的线性或非线性特征，其能构成数模转换器、电压比较器与运算电路等。

3.1 线性应用

（1）虚断与虚短

当运放工作处在理想状态下时，其输出电压值为正无穷，由于u0值带有限制，会出现理想电流值，即为0。当两侧输入端出现疑似短路时，其也被称为“虚短”；而“虚断”则代表了两侧输入端疑似断开。基于理想运放的不可操作性，只要实际情况与分析结果的误差较小，即可视为理想运放。集成运放还要适时引入深度负反馈机制，才能在其开环增益值较大的情况下保障输入电压范围。

（2）三种不同形态的电路

其一，在反向放大器中，其具体的电路图如图1所示，输入电压u1在经过输入端电阻时进入到反相输入端中，由于RF为反馈电阻，其与补偿电阻或平衡电阻，即Rf相互作用，两者间的主要目的为使输入端中的两个外接电阻值相同，从而让电路达到平衡状态，该电路也被称为电压并联的负反馈电路。

在进行计算时，依照“虚短”概念，u+=u-，当i+=0时，其u+=i+Rf=0V，则u-=0V，在完成相应计算后，试验人员可发现相同的输入电阻值。

图1 反相放大器的电路图

其二，集成运放电路中还带有同相放大器，其实际操作方式与反相放大器相似，但不同之处在于其输入的方向为同相，再借助电压反馈到反相输入端中，因而其属于电压串联的负反馈电路。

其三，差分放大器也包含在集成运放电路中，通过计算可获取其输入电压差值与输出电压，二者间呈成比例。

（3）电路运算

在掌握了线性的集成运放电路的多种形态后，其可主要运用到电路运算中，比如，在进行加法运算时，借助“虚断”与“虚短”的相关概念，可掌握多种数值，如电流、电阻等，并利用反相加法运算，继而获得相应电压值。在开展加减运算的过程中，运算人员可利用已知的电阻值，通过对加减运算电路的掌握，得到相应电压值。

例如，某专业人员在研究线性特征下集成运放电路的形态与运行方式，经过仔细研究，其找到了三种放大器的应用差别，并利用多种已知公式，更好的使用在电路计算中，提升了此类电路形态的应用价值。

3.2 非线性应用

集成运放在开展非线性应用的过程中，其多处在反馈或开环状态，虽然u+与u-的差别较小，但因为Aod的值为无穷，其输出电压也能达到饱和状态。因此，若u+＞u-，其集成运放会输出高电平，输出高电平的符号为UOH，即uo=UOH；若u-＞u+，集成运放则会输出低电平，其符号为UOL，即uo=UOL。

（1）运用在多类比较器中

其一，当非线性的集成运放电路进入到基本比较器中，其输入信号进入到反相输入端中，试验人员可设定R为限流电阻、参考电压的符号为UREF，依照非线性特征的两个公式，其可得到输入与输出的电压关系曲线，也被叫做传输特性。其二，在过零比较器中也能找到集成运放电路，当UREF=0V时，且输入信号的状态为过零电平时，其输出电压将发生较大改变，即由一种电平转换成另外一种电平，因此，该比较器为过零比较器。此类比较器在实际运用的过程中，可当做波形变换器，其电流的运动形态发生改变，即从三角波变化到方波。

（2）电路运用的规则

集成运放电路主要有专用型与通用型，专用型的内部性能带有诸多优势，如高压、高速、低功耗、高精度且输入阻抗较高；而通用型的优势则为价格低廉、产量较大、应用广泛等。在开展正式应用前，技术或试验人员要仔细翻阅与集成电路相关的手册，依照自身需要选择对应的型号，通常来讲，要以通用型为主，再查看其参数是否达到自身要求，继而根据手册内部的外部接线要求适当修改电路。

首先，在进行非线性电路连接时，试验人员需依照特定要求适时连接调零电位器，并连接相关的补偿网络，在连接过程中要防止自激现象的发生，其原因在于会破坏内部放大器的正常使用，因此，补偿网络要设置在集成运放内部，其外部则无需保留补偿端。在接好电路以后，要将输入电压值调整为零，并从调零电位器中查看输出电压值，若其存有数值应将其调节到零。若此工作难以正常开展，则说明电路内部可能存有虚焊、接线有误或集成运放损坏。

其次，为提升集成运放的安全性，试验人员需利用多种措施更好地保护电路，在采用电源反接的方法保护电路时，其内部的二极管会因反偏而影响电流移动，从而起到保护电路的作用。在保护电路期间，在其输入与输出端会出现二极管与限流电阻，其会构成一套完整的输入保护电路，将内部的输入电压值控制在0.7V左右，而利用输出保护电路中的稳压管与限流电阻，能有效避免输出端短路或因外部高压而造成的集成运放损害。为稳定非线性电路中的电压值，技术人员还可采用两个形态相同的稳压管巧妙串接后放置到密封的管壳中。

最后，在运用集成运放电路的过程中，若稍不注意，该电路就会发生阻塞现象，一般来讲，电路内阻塞也被叫做闩锁或自锁，当出现该现象时，电路内部的输出电压会与两个极限值相似，且输入信号难以加入。产生阻塞现象的主要原因为集成运放的输入信号过大或遭受较强干扰，从而使其内部输出的管道发生截至或出现饱和。出现该现象后最为有效的处理措施为立即切断电源，在重新连接电路的过程中将集成运放两侧的输入端开展短路工作，不仅能让电路恢复正常，还会使其运行的更为高效。为更好地防止电路阻塞，技术人员可在部分集成运放中设计带有防阻塞电路的装置，也可在输入端限幅，此类措施都能起到保护电路的作用。

总结：综上所述，随着集成运放电路的愈加发展，其生成的型号也越来越多，通过对线性与非线性的深入研究，技术人员应找到其内部电阻、电容与电压间的关系，从而运用更为科学的方法保护电路运行安全，促进其发展。