积分电路
假面骑士鸡翅 Lv4

积分器

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由虚短虚断分析可得:

结合电容公式可得:

实际应用

理论上的积分器,在实际应用中很容易出现饱和。因为现实中任何运放都有输入失调电压、输入偏执电流。

下面解释:

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  • VOS:是运放固有的输入失调电压,指一个运放输入端为0时,输出的静态电压,数量级为mV~uV。
  • IB:两个端子存在的偏执电流,数量级为uA~pA。

VOS会在反向输入端的电阻施加一个电流,电容上的电流分成两路,一路是电阻流出的电流,还有流入运放的IB。(方向不一定,也有可能流出)

这两个持续的电流会使电容充电,很快使电容两端的电压达到电源电压以后不再充电。此时,虚短不在成立,经过电阻的电流全部为运放偏置电流。

仿真结果
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解决方案:

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在电容旁边并联一个较大的电阻,这个电阻用来消耗电容的电压,使电容两端电压不再持续增加。

电阻为100KΩ,C = 68nF,运放输入失调电压为1mV,输入偏执电流80nA,供电电压为±15V,进入稳态后,输出电压约为:

积分器输出十分小,肉眼几乎看不出来,并且电阻越小输出失调也就越小。

仿真

首先测量在不加输入电压时,积分电路的直流失调量,电路图如图所示。
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我们这时接入1mV的正弦波,可以得到输出:

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可以看到输出电压有直流分量,这个直流量就是失调电压和偏执电流带来的影响。在直流状态下,这个电路可以看做一个反相比例器,直流分量被放大10倍,输出电压在17mV上下波动,并且输出输出间有相位差。


在理想情况下,输入正弦波,输出电压有下面表达式:

即:

  1. 积分器输出波形为余弦波,相位超前90°

  2. 积分器输出幅度为输入波形幅度的倍,与时间常数和输入信号频率有关。

  3. 此公式为数学理论分析,C是常数。电路中取什么值,取决于瞬时分析。

频率特性

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频率表达式:

同时取对数表达时,AF = -f,即一条斜直线。我们从幅频特性曲线上也能看到,在频率较高部分幅频特性曲线近似等于直线。

实际应用中我们在电容两端并联一个大电阻,导致幅频特性曲线有一些变化。理论上积分电路的幅频特性曲线在整个频段内都是一条斜线,这个电阻作用在低频段体现出来。

我把电阻R2跳大至10MEG,把电容C调小至1nF,看幅频特性曲线:
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可以看出,这个曲线与之前学的低通滤波器比较类似,在低频段有一个固定的增益倍数,这个倍数就是反向比例器的放大倍数即,而过了低频段之后就是积分器的幅频特性曲线。

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