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积分电路原理之新解 ——放大器与电容的“三变身”

2017-08-18
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相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放大器,在原理上如何理解和掌握,一般人往往感到会困难一些。近来,因为一位朋友反复和我讨论该电路的原理,使人索性下了点狠心,要将该电路探究一番。


将反相放大器中的反馈电阻,换作电容,便成为如图1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。

图1: 积分电路的构成及信号波形图


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,是个储能元件。对变化的电压敏感(反应强烈),对直流电迟钝(甚至于无动于衷),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,无穷大的电阻了。


总结以上,在电容充电过程中,有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2所示的三种身份。

参见图2。


1、电压跟随器。在输入信号的t0(正向跳变)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到开环比较状态,电路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。放大器,其实是在“放大不离比较,比较不离放大”圈子中跳着玩儿,这个,留等我以后再说。


文章来源:百度文库


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