什么是集成运算放大器？详细介绍分析

电子发烧友认为半导体集成电路是以半导体硅单晶为基础材料，以制造平面晶体管的平面工艺为基本工艺，将许多无、器件连同它们接线等制造在同一基片上，并能够完成各种电功能的电子线路。它实现了材料、元器件、电路三者的有机组合，具备集成密度高、引线短、外部焊点少、成本低、可靠性高等优点。

1、基本运算电路

集成电路按功能划分，可分为数字和模拟两大类。模拟集成电路用于模拟信号的产生和处理，其种类繁多，包括集成运算放大器、集成模拟乘法器、集成锁相环、集成功率放大器、集成稳压电源、集成宽带放大器、集成数模和模数转换电路等。其中集成运放是技术功能的通用性最大、应用最广泛、以展最快、品种与数量最多的一种线性集成电路。

集成运放裨上是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号，下限频率可到零;又能放大交流信号，上限频率与普通放大器一样，受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。集成运放和外部反馈网络相配置后，能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系，故而称它为“运算”放大器。分析处于线性放大状态的理想和实际运算放大器的基本依据是

U-=U+也称“虚短路”。对于实际的运算放大器，常常也可据此进行近似分析。

(1)反相运算放大器 图5.2-18所示是运算放大器反相放大组态电路，通过反馈元件ZF构成闭环。理想运算放大器反相放大闭环增益的基本关系式

反相输入端具有地电位，而并没有真正接地之“虚地”点。

反相运算放大器的输入阻抗为z1F=Z

反相放大组态实质上是电压并联负反馈，具有输入阻抗和输出阻抗低的特点。

ZPZ为温度补偿元件，为了确保运算放大处于对称平衡状态，应使从反相输入端和从同相输入端赂外部看去的等效直流电阻相等，则元件选择时应使ZP=ZF//ZZ

如果用不同的电阻、电容网络来构成ZF、ZP，就能得到功能不同的各种反相运算电路。例如反相比例器、加法器、微分器、积分器、有源滤波器和有源校正电路等。下面仅举反相加法器一例，如图5.2-19所示电路。

由于反相端为“虚地”，故三个输入电压彼此独立地通过自身的输入回路电阻，转换成下列各式电流：

由此可见，当运算放大器具有理想特性时，各相加项的比例因子仅与外电路电阻有关，适当选择各电阻阻值，就能得到所需要的比例因子，因此这种加法电路可以达到很高的精度和稳定性。加法运算呈现在各输入电流在反相端相加。故称反相端为“相加点”，或称“”点。

补偿电阻RP用于保证电路具有平衡对称结构，其值应选为RP=R1||R2||R3||RT

由于反相端为“虚地”，故对每个输入信号而言，加法器的输入电阻分别为输入回路电阻R1、R2、R3。

(2)同相运算放大器 图5.2-20为运算放大器同相放大组态。理想运算放大吕同相放大闭环增益的关系式：

(3)差动放大器

1)基本差动放大器

将反相放大组态和同相放大组态二者结合起来，便构成运算放大器的差运放大组态，如图5.2-21所示。差动运放只对差模输入信号实现运算，不反映共模输入信号。对于理想运算放大器，若外部回路差动放大器具有抑制零点漂移和抗干抗性等特点，所以应用极为普遍。

2)增益可调差动放大器 实际应用中，通常要求增益可调。将基本差动放大器结构适当改变，就能实现用一个电位器调节增益的任务，电路如图5.2-22所示。该电路的闭环增益为式中K为电位器的滑动比。

当滑动端在图示最上位置时，K=1;在最下位置时，K=0，通常在电位器支路串有一个固定电阻，以避免调节过程中出现过大增益，确保电路工作稳定。这样调节滑动比，增益A1就可以在很大范围内变化。此种增益调节电路简单易实现，且不影响电路的共扼抑制能力，缺点是增益调节特性是非线性的。

(4)积分器 基本积分器电路图如5.2-23。其输入回中元件为电阻，反馈回路元件为电容，属于反相运算电路。

什么是集成运算放大器?详细介绍分析自从1964年美国仙童半导体公司研制出第一个单片集成运算放大器μA702以来，集成运算放大器得到了广泛的应用，它已成为线性集成电路中品种和数量最多的一类。国标统一命名法规定，集成运算放大器各个品种的型号有字母和阿拉伯数字两大部分组成。字母在首部，统一采用CF两个字母，C表示国标，F表示线性放大器，其后的数字表示集成运算放大器的类型。它的增益高(可达60~180dB)，输入电阻大(几十千欧至百万兆欧)，输出电阻低(几十欧)，共模抑制比高(60~170dB)，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便 [1] 。

有源矩阵薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)具有轻薄、省电、抗干扰能力强、有效显示面积大等特点，已被广泛应用于移动电话、PDA、数码相机等于持终端产品中。TFT-LCD的栅极驱动通常需要正、负电流供电，因此在采用TFT-LCD的便携式产品中一般需要三组供电电源，MAX1748就是针对这一应用而研制开发的。它内部包括：主电源DC-DC转换器和两个电荷泵。主电流输入电压范围为2.7～5.5V，输出电压可达13V，稳定度在±1%以内。双电荷泵电路用于提供独立的正、负电压输出，并为TFT栅极驱动器供电，通过外接二极放宽和电容器，输出电压可达+40V/-40V。MAX1748采用20脚TSSOP(高度仅为1.1mm)封装，引脚排列如图1所示。表1为各引脚的功能说明。

MAX1748主电源升压转换器的工作频率为1MHz，其外部允许选用小尺寸的电感和电容，通过调节脉冲宽度来控制每个转换周期的能量传递，以产生稳定的输出电压。在PWM工作模式下，内部时钟在上升沿触发接通N沟道NOSFET(如图2)，当电压误差之和、斜率补偿、电流反馈信号超出比较器电压误差之和、斜率补偿、电流反馈信号超出比较器预置门限时，触发器复位，使得在下一时钟周期之前MOSFET处于断开状态。改变输出电压的误差信号将改变开关电流的门限值，从而调节MOSFET的导通与关断时间。

MAX1748内部包括两路独立的低功耗电荷泵，一路电荷泵用于产生与输入电压(SUPN)反相的电压，另一种电荷泵用来产生输入电压(SUPP)的倍压输出，内部N沟道、P沟疲乏MOSFET开关的工作频率为500kH。电荷泵电路工作时，主电源转换效率与负载电流的关系曲线如图3所示。

2.3 MAX1748的上电顺序

当MAX1748上电或脱离关断状态时，控制电路将顺序开启内部电路，其上电顺序为：(1)基准电源上电;(2)具有软启动电路的主电源DC-DC升压转换电路开启;(3)当主电流达到稳定的输出电压时，负电荷泵电路启动;(4)当负电荷泵输出电压达到稳压值的88%时，正电荷泵开启;(5)当正电荷泵输出电压达到稳压值的90%时，MOSFET导通，把RDY位至低电平。RDY为漏极开路输出，需在RDY与脚之间接100kΩ的上拉电阻。在RDY引脚降为低电平后，故障检测电路将对基准电源、各种输出电压进行监测。(基准源输出故障门限值为1.05V，主电流故障检测门限为正常输出电压的88%，负电葆泵故障检测门限为正常输出电压的90%，正电荷泵故障检测门限为正常输出电压的88%)，一旦输出电压出现故障，RDY输出将变为高阻态。依照上电顺序，MAX1748将关闭后续电路。例如，当负荷泵输出电压跌落到故障检测门限值以下时，主电流将保持有效输出，而正电荷泵电路将被关闭直到负电荷泵输出电压达到正常。