运算放大器积分电路及积分电路设计

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运算放大器积分电路及积分电路设计

积分电路 Integrator circuit

在运算放大器积分器电路中，电容器插入反馈环路中，并在反相输入端与R1一起产生一个RC时间常数。

积分的物理意义

积分的物理意义我们经常会使用到，例如下面的几个例子。
1、加速度对时间的积分就是速度；
2、速度对时间的积分就是路程；
3、功率对时间的积分就是功。

积分的几何意义

几何意义来自于我们的数学基础概念，比如几何处理等问题，如下所示。

积分电路

积分器电路根据电路时间常数和放大器的带宽，在一个频率范围内输出输入信号的积分。
输入信号被施加到反相输入，因此输出相对于输入信号的极性反相。理想的积分器电路将饱和到电源轨，具体取决于输入失调电压的极性并需要增加一个反馈电阻R2，以提供稳定的直流工作点。反馈电阻器限制了执行积分功能的较低频率范围。

设计须知

1.对于反馈电阻，请使用尽可能大的值。
2.选择一个CMOS运算放大器，以最小化输入偏置电流的误差。
3.放大器的增益带宽积（GBP）将设置积分器功能的上限频率。
集成功能的有效性通常在距放大器带宽约十年的时间开始降低。
4.需要将一个可调基准电压连接到运算放大器的同相输入，以消除输入失调电压，否则较大的DC噪声增益将导致电路饱和。具有非常低的失调电压的运算放大器可能不需要这样做。

积分电路如下所示：

积分电路计算

积分电路输出电压Vout计算

如何设计

1、我们需要先设定电阻值，即就是上图中的R1；
2、计算C1以设置单位增益积分频率。
3、计算R2将下限截止频率设置为比最小工作频率低十倍。
4、选择增益带宽至少为所需最大工作频率的10倍的放大器。

增益带宽积
假设运算放大器的增益带宽积为1 MHz，它意味着当频率为1 Mhz时，器件的增益下降到单位增益。即此时A=1。同时说明这个放大器最高可以以1 MHz的频率工作而不至于使输入信号失真。由于增益与频率的乘积是确定的，因此当同一器件需要得到10倍增益时，它最高只能够以100 kHz的频率工作。

单位增益带宽
单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，随着输入信号频率不断变大，输出信号增益将不断减小，当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）时，所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。

导数的运算

因为我们在高等数学里面是先讲到的导数相关运算，再讲述的是积分运算。

简单函数：

复合函数：

积分的运算

运放芯片本身需要注意的参数

VOS 输入失调电压
输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时。两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性。对称性越好。输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系。当中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间。

IB 输入偏置电流
运放两个输入端偏置电流的平均值， 确切地说是运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。用于衡量差分放大对管输入电流的大小。

IOS 输入失调电流
在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，II0＝|IB1－IB2|。用于表征差分级输入电流不对称的程度。通常，Ios为（0.5～5）nA，高质量的可低于 1nA。

AOL 开环电压增益
开环电压增益参数Aol被定义为输出电压的改变量与两个输入端之间电压该变量之比。

运算放大器的静态输入指标及动态技术指标：输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、共模抑制比、单位增益带宽、转换速率、压摆率、输入阻抗、输出阻抗。

积分电路的应用：

1、积分电路可以使输入方波转换成三角波或者斜波；
2、积分电路电阻串联在主电路中，电容在干路中；
3、积分电路的时间常数t要大于或者等于10倍输入脉冲宽度；
4、积分电路输入和输出成积分关系

积分电压波形

我们经常所了解到的方波转为三角波；

R2如果不增加将会导致输出出现积分饱和，也就是电容无法放电，导致输出异常甚至可能达到和供电电源一样的电压，因此需要增加这个大的并联电容；

积分电路分析分析

如果现在施加到Vin的方波进入其正半周期并在Vin处产生稳定的正DC电压，则电流将流过R1并开始对C1充电。

由于R1和C1的交界处的电压（LM324的反相输入）保持在虚拟地，因此，运放输出（连接至C1的右面板）的电压将开始以一定速率下降由CR时间常数控制。

输出电压将继续下降，试图达到一个等于Vin且与Vin相反的负电压。此动作导致输出端出现相对线性的负向斜率，直到（远在一个时间常数结束之前），输入方波突然改变极性。

在输入方波的负向半周期开始时将Vin的电压更改回较低的水平将导致C1开始放电，并将反相输入保持在0V，运算放大器输出的电压将开始以线性方式增加。

这一直持续到下一个周期开始时输入突然再次变为正。

为了在输出三角波形上产生线性斜坡，积分器电路的CR时间常数应类似于或长于输入波周期时间的一半。

在图所示的情况下，时间常数R1 x C1（100exp3 x 10exp-9）= 220µs将周期为1 / 2exp3Hz = 500µs / 2 = 250µs的1kHz方波转换为合理的线性三角波波。

Reference

更多详细介绍可以参考TI相关介绍。

1、http://webpages.ursinus.edu/lriley/ref/circuits/node5.html

2、https://wenku.baidu.com/view/4e228473227916888586d763.html

3、https://learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers66.php

今日清明，共寄哀思