什么是集成運算放大器？詳細介紹分析

電子發(fā)燒友認為半導(dǎo)體集成電路是以半導(dǎo)體硅單晶為基礎(chǔ)材料，以制造平面晶體管的平面工藝為基本工藝，將許多無、器件連同它們接線等制造在同一基片上，并能夠完成各種電功能的電子線路。它實現(xiàn)了材料、元器件、電路三者的有機組合，具備集成密度高、引線短、外部焊點少、成本低、可靠性高等優(yōu)點。

1、基本運算電路

集成電路按功能劃分，可分為數(shù)字和模擬兩大類。模擬集成電路用于模擬信號的產(chǎn)生和處理，其種類繁多，包括集成運算放大器、集成模擬乘法器、集成鎖相環(huán)、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成寬帶放大器、集成數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。其中集成運放是技術(shù)功能的通用性最大、應(yīng)用最廣泛、以展最快、品種與數(shù)量最多的一種線性集成電路。

集成運放裨上是一種高增益直流放大、直流放大器既能放大變化極其緩慢的直流信號，下限頻率可到零;又能放大交流信號，上限頻率與普通放大器一樣，受限于電路中的電容或電感等電抗性元器件。集成運放和外部反饋網(wǎng)絡(luò)相配置后，能夠在它的輸出和輸入之間建立起種種特定的函數(shù)關(guān)系，故而稱它為“運算”放大器。分析處于線性放大狀態(tài)的理想和實際運算放大器的基本依據(jù)是

U-=U+也稱“虛短路”。對于實際的運算放大器，常常也可據(jù)此進行近似分析。

(1)反相運算放大器 圖5.2-18所示是運算放大器反相放大組態(tài)電路，通過反饋元件ZF構(gòu)成閉環(huán)。理想運算放大器反相放大閉環(huán)增益的基本關(guān)系式

反相輸入端具有地電位，而并沒有真正接地之“虛地”點。

反相運算放大器的輸入阻抗為z1F=Z

反相放大組態(tài)實質(zhì)上是電壓并聯(lián)負反饋，具有輸入阻抗和輸出阻抗低的特點。

ZPZ為溫度補償元件，為了確保運算放大處于對稱平衡狀態(tài)，應(yīng)使從反相輸入端和從同相輸入端賂外部看去的等效直流電阻相等，則元件選擇時應(yīng)使ZP=ZF//ZZ

如果用不同的電阻、電容網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成ZF、ZP，就能得到功能不同的各種反相運算電路。例如反相比例器、加法器、微分器、積分器、有源濾波器和有源校正電路等。下面僅舉反相加法器一例，如圖5.2-19所示電路。

由于反相端為“虛地”，故三個輸入電壓彼此獨立地通過自身的輸入回路電阻，轉(zhuǎn)換成下列各式電流：

由此可見，當(dāng)運算放大器具有理想特性時，各相加項的比例因子僅與外電路電阻有關(guān)，適當(dāng)選擇各電阻阻值，就能得到所需要的比例因子，因此這種加法電路可以達到很高的精度和穩(wěn)定性。加法運算呈現(xiàn)在各輸入電流在反相端相加。故稱反相端為“相加點”，或稱“”點。

補償電阻RP用于保證電路具有平衡對稱結(jié)構(gòu)，其值應(yīng)選為RP=R1||R2||R3||RT

由于反相端為“虛地”，故對每個輸入信號而言，加法器的輸入電阻分別為輸入回路電阻R1、R2、R3。

(2)同相運算放大器 圖5.2-20為運算放大器同相放大組態(tài)。理想運算放大呂同相放大閉環(huán)增益的關(guān)系式：

(3)差動放大器

1)基本差動放大器

將反相放大組態(tài)和同相放大組態(tài)二者結(jié)合起來，便構(gòu)成運算放大器的差運放大組態(tài)，如圖5.2-21所示。差動運放只對差模輸入信號實現(xiàn)運算，不反映共模輸入信號。對于理想運算放大器，若外部回路差動放大器具有抑制零點漂移和抗干抗性等特點，所以應(yīng)用極為普遍。

2)增益可調(diào)差動放大器 實際應(yīng)用中，通常要求增益可調(diào)。將基本差動放大器結(jié)構(gòu)適當(dāng)改變，就能實現(xiàn)用一個電位器調(diào)節(jié)增益的任務(wù)，電路如圖5.2-22所示。該電路的閉環(huán)增益為式中K為電位器的滑動比。

當(dāng)滑動端在圖示最上位置時，K=1;在最下位置時，K=0，通常在電位器支路串有一個固定電阻，以避免調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)過大增益，確保電路工作穩(wěn)定。這樣調(diào)節(jié)滑動比，增益A1就可以在很大范圍內(nèi)變化。此種增益調(diào)節(jié)電路簡單易實現(xiàn)，且不影響電路的共扼抑制能力，缺點是增益調(diào)節(jié)特性是非線性的。

(4)積分器 基本積分器電路圖如5.2-23。其輸入回中元件為電阻，反饋回路元件為電容，屬于反相運算電路。

什么是集成運算放大器?詳細介紹分析自從1964年美國仙童半導(dǎo)體公司研制出第一個單片集成運算放大器μA702以來，集成運算放大器得到了廣泛的應(yīng)用，它已成為線性集成電路中品種和數(shù)量最多的一類。國標(biāo)統(tǒng)一命名法規(guī)定，集成運算放大器各個品種的型號有字母和阿拉伯?dāng)?shù)字兩大部分組成。字母在首部，統(tǒng)一采用CF兩個字母，C表示國標(biāo)，F(xiàn)表示線性放大器，其后的數(shù)字表示集成運算放大器的類型。它的增益高(可達60~180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，共模抑制比高(60~170dB)，失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點，適用于正，負兩種極性信號的輸入和輸出。模擬集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型硅片制成，這種硅片是集成電路的基片?；峡梢宰龀霭袛?shù)十個或更多的BJT或FET、電阻和連接導(dǎo)線的電路。運算放大器除具有+、-輸入端和輸出端外，還有+、-電源供電端、外接補償電路端、調(diào)零端、相位補償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環(huán)放大倍數(shù)取決于外接反饋電阻，這給使用帶來很大方便 [1] 。

有源矩陣薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器(LCD)具有輕薄、省電、抗干擾能力強、有效顯示面積大等特點，已被廣泛應(yīng)用于移動電話、PDA、數(shù)碼相機等于持終端產(chǎn)品中。TFT-LCD的柵極驅(qū)動通常需要正、負電流供電，因此在采用TFT-LCD的便攜式產(chǎn)品中一般需要三組供電電源，MAX1748就是針對這一應(yīng)用而研制開發(fā)的。它內(nèi)部包括：主電源DC-DC轉(zhuǎn)換器和兩個電荷泵。主電流輸入電壓范圍為2.7～5.5V，輸出電壓可達13V，穩(wěn)定度在±1%以內(nèi)。雙電荷泵電路用于提供獨立的正、負電壓輸出，并為TFT柵極驅(qū)動器供電，通過外接二極放寬和電容器，輸出電壓可達+40V/-40V。MAX1748采用20腳TSSOP(高度僅為1.1mm)封裝，引腳排列如圖1所示。表1為各引腳的功能說明。

MAX1748主電源升壓轉(zhuǎn)換器的工作頻率為1MHz，其外部允許選用小尺寸的電感和電容，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制每個轉(zhuǎn)換周期的能量傳遞，以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。在PWM工作模式下，內(nèi)部時鐘在上升沿觸發(fā)接通N溝道NOSFET(如圖2)，當(dāng)電壓誤差之和、斜率補償、電流反饋信號超出比較器電壓誤差之和、斜率補償、電流反饋信號超出比較器預(yù)置門限時，觸發(fā)器復(fù)位，使得在下一時鐘周期之前MOSFET處于斷開狀態(tài)。改變輸出電壓的誤差信號將改變開關(guān)電流的門限值，從而調(diào)節(jié)MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷時間。

MAX1748內(nèi)部包括兩路獨立的低功耗電荷泵，一路電荷泵用于產(chǎn)生與輸入電壓(SUPN)反相的電壓，另一種電荷泵用來產(chǎn)生輸入電壓(SUPP)的倍壓輸出，內(nèi)部N溝道、P溝疲乏MOSFET開關(guān)的工作頻率為500kH。電荷泵電路工作時，主電源轉(zhuǎn)換效率與負載電流的關(guān)系曲線如圖3所示。

2.3 MAX1748的上電順序

當(dāng)MAX1748上電或脫離關(guān)斷狀態(tài)時，控制電路將順序開啟內(nèi)部電路，其上電順序為：(1)基準(zhǔn)電源上電;(2)具有軟啟動電路的主電源DC-DC升壓轉(zhuǎn)換電路開啟;(3)當(dāng)主電流達到穩(wěn)定的輸出電壓時，負電荷泵電路啟動;(4)當(dāng)負電荷泵輸出電壓達到穩(wěn)壓值的88%時，正電荷泵開啟;(5)當(dāng)正電荷泵輸出電壓達到穩(wěn)壓值的90%時，MOSFET導(dǎo)通，把RDY位至低電平。RDY為漏極開路輸出，需在RDY與腳之間接100kΩ的上拉電阻。在RDY引腳降為低電平后，故障檢測電路將對基準(zhǔn)電源、各種輸出電壓進行監(jiān)測。(基準(zhǔn)源輸出故障門限值為1.05V，主電流故障檢測門限為正常輸出電壓的88%，負電葆泵故障檢測門限為正常輸出電壓的90%，正電荷泵故障檢測門限為正常輸出電壓的88%)，一旦輸出電壓出現(xiàn)故障，RDY輸出將變?yōu)楦咦钁B(tài)。依照上電順序，MAX1748將關(guān)閉后續(xù)電路。例如，當(dāng)負荷泵輸出電壓跌落到故障檢測門限值以下時，主電流將保持有效輸出，而正電荷泵電路將被關(guān)閉直到負電荷泵輸出電壓達到正常。