由运放器件和RC电路构成的积分电路

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根据输入信号频率(周期),合理设置RC时间常数,积分电路便能完成波形转换任务。积分电路系将反相放大器中的反馈电阻,换作电容,便成为如图所示的积分放大器电路。对于电阻,貌似是比较实在的东西,电路输出状态可以一目了然,换作电容,由于充、放电的不确定性,电容又是个较“虚”的物件,其电路输出状态,就有点不易琢磨了。
比较用电阻和运算电路构成的同相、反相运算放大电路,对于由电容和运算放大器构成的积分电路,在原理上如何理解和掌握,一般人往往感到会困难一些。
想弄明白其输出状态,得先了解电容的脾性。电容基本的功能是充、放电(是吞吐电流的能手),是个储能元件。对变化的电压敏感(利用吞吐电流能力实现电压平波),对直流电迟钝(无电流可吞吐),有通交流隔直流的特性。对看待世界万物都是呈现电阻特性的人来说,也可以将电容看成会变化的电阻,由此即可解开积分电路的输出之谜。
依据能量守恒定律,能量不能无缘无故地产生,也不能无缘无故地消失,由之导出电容两端电压不能突变的定理。充电瞬间,电容的两极板之间沿未积累起电荷,沿能维持两端电压为零的原状态,但此瞬间充电电流为最大,可以等效为极小的电阻甚至导线,如果说电容充电瞬间是短路的,也未尝不可,比如变频器主电路中,对回路电容要有限流充电措施,正是这个道理;电容充电期间,随时间的推移,充电电压逐渐升高,而充电电流逐渐减小,也可以认为此时电容的等效电阻由最小往大处变化;电容充满电以后,两端电压最高,但充电电流基本为零,此时电容等效为最大值电阻,对于直流电来说,甚至可以等效于断路,是无穷大的电阻了。
总结以上,在电容充电过程中,由等效为最小电阻或导线、等效为由小变大的电阻、等效为最大电阻或断路等三个状态(正是电容的该变化特性,可以使积分放大器电路变身为如图所示的三种身份)。实际上在积分电路应用中,由于时间常数所限,电容不会进入电容荷充满的等效断路状态,但为了说明采用电容做为运算放大器偏置电路,由电容特性导致的放大器的动态输出变化,在此特意分析在一个跃变输入信号(信号时间常数远大于电路RC时间常数)情况下,放大器在电容调控下实施的三次变身。

由运放器件和RC电路构成的积分电路
图 积分电路工作过程中的“三变身”
1)电压跟随器。在输入信号的t0(上升沿跳变)时刻,电容充电电流最大,等效电阻最小(或视为导线),该电路即刻变身为电压跟随器电路,由电路的虚地特性可知,输出尚为0V。
2)反相放大器。在输入信号的t0时刻之后的平顶期间,电容处于较为平缓的充电过程,其等效RP经历小于R、等于R和大于R的三个阶段,因而在放大过程中,在放大特性的作用下,其实又经历了反相衰减、反相、反相放大等三个小过程。而无论是衰减、反相还是反相放大,都说明在此阶段,积分电路其实是扮演着线性放大器的角色。
3)在输入信号平项期间的后半段,电容的充电过程已经结束,充电电流为零,电容相当于断路,积分放大器由闭环放大过渡到开环比较状态,电路由线性放大器进而变身为电压比较器。此际输出值为负供电值。
都说人会变脸,其实电路也能变身啊。在电容操控之下,放大器瞬间就变换了三种身份。能看穿积分放大器的这三种身份,积分放大器的“真身”就无从遁形了。
实际电路中,通常在积分电容C两端并联RF电阻,其值应>10R,用来防止积分漂移造成放大器进入截止区或饱和区。另外,尚有同相积分放大器电路,较为少见,仍然可用将电容等效可变电阻法进行原理性分析,此不赘述。
积分电路的检修要点(以应用广泛的反相积分放大器为例):
1) 反相器基本电路形式,有“虚地”特性。
静态——无输入信号时,若输入侧有直流电压,电路应符合比较器规则;
检修中暂时短接C(令其变身为电压跟随器),输出端应变为0V。说明运放芯片是好的。
2)具有积分电路特性。
电路RC时间常数较大时,可在输入端(输入电阻R的左端)施加直流电压,则在输出端会短时呈现反向变化至最低电平的电压变化;
动态——输入脉冲正常情况下,可在输出端测得信号电压(为0V以下、供电负压之上的负电压)或脉冲波形。
确定其电路好坏,真的不难,而且方法是简单有效的。

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