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[技术讨论]

积分器为什么要并联电阻

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sinasun|  楼主 | 2023-4-16 18:52 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
从上学的时候教科书获知,运放组成的积分器是将方波转化为三角波。当时学习积分运算电路,课本给出建议,在实际电路中,需要在反馈电路中并联一个电阻,就是为了防止低频信号增益过大。但这句话并没有给我们留下什么印象,直到工作中,返现反馈并联电阻选型不合理,就得不到理想的三角波,会发现输出三角波底部失真的现象。
出现这个现象,就要从运放的内部结构入手,运放是由输入级,中间级和输出级组成的。即使运放的两个输入级都接GND,也会由电流流入或者流出运放的输入级-差分输入对。电流的方向是流入还是流出主要是看输入级的结构,是NPN型还是PNP型。这种电流在运放的规格书就是输入偏置电流。
既然存在输入偏置电流,那么将运放组成积分放大电路,就会发现当没有输入信号接入的时候,输入偏置电流就会不断流入反馈电容,而反馈电容又没有放电的通路。尽管输入偏置电流都比较小,可能只有nA级别,但随着充电时间的增加,迟早会将反馈电容的电压充电到电源电压,造成输出电压等于电源电压,输出饱和了从而维持不变。
也可以换一个角度分析,同相端输入信号是方波,在导通周期近似认为直流电压。直流信号的频率是0Hz,那么对于电容而言,容抗Zc就是无穷大,此时将积分器电路看做一个同相放大电路,放大倍数是1+Zc/R, 所以放大倍数就是无穷大,此时无论输入信号幅值多么小,输出都会饱和。即使此时没有输入信号,但是存在输入失调电压Vos,也会造成输出饱和。这中分析方法正好和教科书中提到的,防止低频信号增益过大一个意思。
  上文通过两个方面讨论输出电压保护,知道了原因,就好对症下药。电容是一直充电,为了不让电容电压一致上升,那么加一个放电电阻就够了。所以在反馈电路两端并联一个电容就可以。低频增益过大,那么再加一个反馈电阻Rf,反馈电阻Rf和电容容抗Zc并联,就固定了低频信号时候的增益1+Rf/R。分析下来,都是再电容两端并联一个电阻可以解决问题,那就需要知道,反馈并联电阻阻值如何选取。
无论反馈电阻阻值如何选取,要保证积分器的特性不变,并联了反馈电阻Rf后,RfCf组成低通滤波器,那么就会对输入信号有影响。此时电路就有两个特征频率,有f1=1/2*pi(R1*Cf), 以及f0==1/2*pi(Rf*Cf),只有当f1>100f0的时候,也就是输入信号的频率远大于RfCf组成低通滤波器组成的截止频率,积分器特性才会不受到f0的影响。输出才是理想的积分器特性。在这个指导原则下,假如输入信号f1=100KHz,输出R1Cf按照设计需求定好后,也就是积分器需要在特定频率需要多大的增益,比如100Hz下,积分器的输出增益是6.02dB,就可以计算出Rf需要的最小值。
剩下的就是根据计算低频情况下,最大输出失调电压。电路设计中,都需要定义0输入情况下,最大的输出失调电压。此时Vos_out= (Ibas*R1//Rf+Vos)*(1+Rf/R1)
这个公式的意思是,0输入的情况下,要考虑输入失调电压和输入偏置电流的作用下,在同相放大倍数Ac=(1+Rf/R1)作用下,就会在有输出失调电压的产生。由此就可以计算处Rf的最大值,所以反馈并联电阻的选取有一个范围,都是根据设计要求,和选择的运放参数而决定的,绝不是凭所谓的经验值而决定的。
  

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21ic小管家 打赏了 20.00 元 2023-05-26
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cooldog123pp 2023-5-29 20:37 回复TA
这个很细分的一个话题。 
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