集成运放电路的应用分析

　　摘 要集成运算放大电路简称集成运放电路，其属直接耦合的多级放大电路的一种。它通过对半导体集成工艺的运用来实现电路与电路系统以及元件三结合。因其使用的集成工艺可使相邻元器件间的参数保持较高的一致性，且其采用多晶体管复杂电路，使得性能极为优越。集成运算电路型号较为复杂，但所有型号中，通用型集成运放应用最为广泛。其内部电路可大致分为差分输入级、中间级与互补输出级，且各级之间均带有不同的电流源电路。本文主要对集成运放电路的特点、分析及应用进行了初步分析，为集成运放电路的更为广泛的应用提供参考。 　　【关键词】集成运放电路 线性应用 非线性应用 　　运算放大器又称运放，其英文缩写为OP Amp，其最初应用于模拟计算机对模拟信号进行加减法、微积分等数学运算，并因此得名。自其1963年问世已经历了整整三代的升级，其第四代产品，即集成运放通过对中、大规模集成技术加以利用，将之前极为复杂的分立元件电路部件集成在一片极小的芯片上。第四代产品设计调试更为简便，且性能更为稳定可靠，通用性极强，性价比较之于前三代也更高，且灵活性更大。继承运放是包含两个输入端、高输入阻抗和一个输出端的高增益的电压放大器。我们在它的输入端与输出端之间加上一个反馈网络，则可成功实现各种电路功能。在当前的模拟电路中，除去大功率及高频等较特殊的场合外，集成运放电路已基本取代分立元件电路。运算放大器可顺利实现放大其、比较器、缓冲器、电平转换器、积分器、有源滤波器以及峰值检波器等多种电路功能，并且其应用范围已由最初的计算机延伸至电子、汽车、通信以及消费娱乐等诸多产品和各个领域。目前，基本上各个大型半导体制造商所制造的产品线中均应用了运算放大器。而且随着集成技术的不断发展，其应用也从最初的信号运算延伸至对信号的处理、产生及变换等。集成运放的应用可大致分为线性与非线性应用两大类型，对于电子技术人员来说，对运放电路进行正确判断极为重要，因而对其进行准确的分析则显得十分重要。 　　1 集成运放应用及其判断方法 　　集成运放因其较强的通用性，目前已广泛应用于对信号进行处理、运算以及测量等诸多方面。集成运放电路具有多种不同型号，且不同型号之间其相应的内部线路也不相同，但各型号间电路总体机构极为相似，均是由输入级、输出级、中间放大级与偏置电路这四部分所构成，集成运放应用已发展为目前模拟电子技术中极为重要的一项内容，因而其相关应用也引起人们日渐重视。根据其相关属性可将集成运放电路分为线性与非线性应用两大类型，对某一运放电路及时作出准确判断极为重要。集成运放电路不同功能的实现必须通过对其的分析中得出，而通常情况下我们对电路类型的分析则是根据该电路工作的不同区域特点加以判断。若对电路运放所属应用类型无法准确判断，则难以利用其相应的应用特点来对其电路功能进行确定。 　　集成运放电路其内部的多级放大电路可将其分为输入级、中间级、输出级与偏置电路四大基本部分（见图1）。 　　1.1 集成运放线性应用电路 　　1.1.1 判断方法 　　集成运放电路线性应用最为重要的特征为其电路中存在负反馈，即是说在其相应的单元运放输出端与其反相输入端间跨接负反馈网络，只要该电路中存在负反馈网络，该集成运放则属于线性应用，该应用工作区域在线性区域。 　　1.1.2 理想集成运放线性区的特点 　　一旦集成运放电路与深度电压负反馈进行外接后，该电路集成运算放大器即可处于理想的线性工作范围内，而此时该电路输出的电压Vo及输入电压Va两者间运算关系则取决于输入端阻抗与外接负反馈网络间的连接方式，而与该运放本身完全无关。如此我们则可充分利用改变运放电路负反馈网络和其相应的输入端外接阻抗两者之间的连接方式与参数来对Va进行多种数学计算。通常情况下，集成运放线性电路其实际运放性能与其理想运放性能极为接近，因而可利用其理想运放线性工作区的三个基本结论来对其分析与计算，即：①开环差模增益Aod→∞；②集成运放两端间差模输入电压为零时：V+=V-（虚短）；③集成运放两端输入电流为零时I+=I-=0（虚断）。 　　1.1.3 集成运放线性应用电路分析 　　集成运放线性区域处于理想运放范围时具有两大重要特性：①因理想运放差模电压其增益为无穷大，而其输出电压值则在有限值范围之间变化，即意味着该运放输出端差模电压值为零。换言之，即是说反相端与同相端间电压值基本相同，我们将其称之为虚假短路，简称为“虚短”；②因线性应用输出电阻值为无穷大，而其所流入集成运放同反两相端的电流基本为零，我们将其称为虚假断路，简称为“虚断”。 　　集成运放线性应用电路其基本分析方法则是对虚短和虚断加以充分利用进而对电路进行分析与判断。其分析原理则主要根据该运放电路工作区的两大重要特点来加以分析，即虚短（V+=V-）与虚断（I+=I-=0）。这一方法对于较为简单的集成运放线性应用电路进行分析极其适用，比如同相比例、反相比例、基本微积分、基本积分等电路进行分析。本文则以反相比例运算电路为例对此分析方法进行举例。详见图2。 　　Rf形成一个深度电压与负反馈并联，使得运放在线性区域工作，即该应用为集成运放线性应用电路。在利用虚短和虚断进行电路分析时应先利用虚断再用虚断进行分析方可确保结论的正确性。根据文中上述虚断和虚断相关分析式列方程可推导出 　　，即是说，可将其作为一个固定公式加以使用，并且每一路反相输入均有去相对应的输出。 　　同理，我们可利用虚短和虚断对同相比例、基本积分、基本微积分、基本对数、基本指数等多种运算电路加以分析。在实际应用中，通过将集成运放引进深度负反馈网络可确保集成运放在线性区域内稳定工作。可适当对线性应用电路其集成运放所具备的特殊性能加以利用以实现集成运放电路的某些功能，比如线性放大、信号运算、电压-电流转变、有源滤波器等多种功能。 　　2 集成运放非线性应用电路分析