两种积分电路在波形转换上的比较

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积分电路是模拟计算机及积分型模数转换等电路的基本单元电路之一,用途十分广泛,是实现电压比较、波形转换、波形振荡、触发器工作以及实现各种自动控制电路的关键环节。下面对两种常用的积分电路在波形转换方面的应用进行分析比较。

1.无源积分电路

积分电路的功能是在一个时间周期内,将被测量的量连续累加起来。当输入恒定时,其输出波形与输入波形的时间间隔成正比。在图1所示的无源积分电路中,输出信号取自电容器的两端。电容器两端电压的建立时间取决于RC时间常数。由于电容器的充电电流逐渐减少,电容器两端的电压以指数形式上升,形成弯曲的波形,输出与输入之间的关系式为VC=Vi(1-e-t/RC)。

图2
图2 🔍原图 (425×305)

我们按图1的电路参数进行仿真,结果如图2所示。实际上,只有在充电曲线的初始部分,输出电压与输入波形的时间间隔才成线性关系。随着时间的增加,积分误差将逐渐增大。为了实现比较理想的积分运算,就需要使电容两端电压增长时,流过它的电流仍基本维持恒定。利用运算放大器就可以解决这一问题。

图3
图3 🔍原图 (567×187)

2.有源积分电路

当运算放大器用于积分电路时,电容C就成为反馈元件了,如图3所示。根据运算放大器输入阻抗接近无穷大的特性,反馈电流与输入电流相等。图3中的输入电流i=Vi/R。则电容C就以这样的电流进行充电。这时电容两端的电压可以表示为V0=-1/C?蘩idt=-1/C?蘩(Vi/R)dt=-1/(RC)?蘩Vidt。这就表示输出电压是输入电压Vi对时间的积分,负号表示它们在相位上是相反的。当输入信号为阶跃电压时,电容将以恒定的方式进行充电,输出电压Vo与时间t的关系成线性关系。即V0=-Vi/(RC)t=-Vi/τt。上式中τ=RC,是积分电路的积分常数。

图4
图4 🔍原图 (567×358)

我们按图3的电路参数进行仿真,结果如图4所示。

图5
图5 🔍原图 (567×239)

在采用集成运算放大器实现积分运算的积分电路时,选择好集成运算放大器的参数及外围电路元件的参数,是减少积分漂移、减少积分误差的关键所在。为此,在设计积分电路时,应注意以下几个问题:

① 在积分电路设计中,为了减少积分漂移,应选用输入失调电压和输入失调电流漂移较小的集成运算放大器,同时,也要注意集成开环增益A VD和带宽的选择。

② 在电路结构方面,应采用合理的补偿措施和适当的调零方法,以便消除失调参量所引起的积分漂移。例如用静态平衡电阻RP消除偏置电流IB所产生的失调,增加积分漂移泄放电阻RF,用以防止积分漂移所造成的积分饱和或截止现象。

③ 合理选择外围电路的元件参数,比如在满足积分器输入电阻要求的情况下,应尽量选用较大的积分电容和较小的电阻R。

由于无源积分器的输出电压以指数规律上升,积分误差较大。而使用运算放大器构成的有源积分器的输出电压与时间的关系成线性,能实现比较理想的积分运算。故在实现波形转换中的积分电路多采用有源积分器。

(元泽怀)