不同模擬積分電路的分析文獻(xiàn)綜述

1、 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述) 第 I 頁不同模擬積分電路的分析摘 要積分電路是模擬計(jì)算機(jī)及積分型模擬轉(zhuǎn)換等電路的基本單元之一,用途十分廣泛,從延遲、移相、波形變換到數(shù)模轉(zhuǎn)換器將電壓量轉(zhuǎn)換為時(shí)間量等,無不與之有關(guān)。本文將通過對(duì)模擬積分運(yùn)算電路系統(tǒng)的分析，介紹其基本功能的運(yùn)作與實(shí)現(xiàn)，以及所涉及的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域和幾種相對(duì)較為實(shí)用的基本積分電路。最后給出了一種特殊的積分分析方法積分面積定則，使讀者了解積分運(yùn)算的基本過程，以及積分電路誤差的產(chǎn)生原因和改進(jìn)措施。文章詳細(xì)分析了基本反相積分電路的設(shè)計(jì)方法,對(duì)積分時(shí)間常數(shù)、元件參數(shù)、調(diào)試方法和波形繪制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)作了舉例說明。關(guān)鍵詞：積分電路，積分漂移，時(shí)間

2、常數(shù) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述) 第 10 頁引言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，信息技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)融入到我們的生活中，與我們的生活息息相關(guān)。在通訊、自動(dòng)控制、國防等諸多領(lǐng)域中，模擬積分電路1獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，模擬積分運(yùn)算電路應(yīng)用于國防上，可通過建立一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)對(duì)積累性質(zhì)的誤差進(jìn)行糾正，應(yīng)用于國防領(lǐng)域上的彈道導(dǎo)彈的控制上，可以精確地?fù)糁心繕?biāo)。積分電路是模擬計(jì)算機(jī)、積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基本單元之一,是實(shí)現(xiàn)電壓比較、波形轉(zhuǎn)換、波形振蕩、觸發(fā)器工作以及實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在控制和測(cè)量系統(tǒng)中也常常用到積分電路。積分電路具有延遲作用和移相作用，它還可用于延時(shí)和定時(shí)各種波形（矩形波、

3、鋸齒波等）發(fā)生電路。本文將通過對(duì)模擬積分運(yùn)算電路系統(tǒng)的分析，來介紹其基本功能的運(yùn)作與實(shí)現(xiàn)，以及所涉及的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域和幾種相對(duì)較為實(shí)用的基本積分電路。其中主要分析有源積分電路2，對(duì)兩種典型的積分電路：基本反相積分電路和基本同相積分電路3進(jìn)行了詳細(xì)分析。1 基本反相積分電路(1) 確定積分電路方案積分電路的方案應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求來確定,比如要進(jìn)行兩個(gè)信號(hào)的求和的積分運(yùn)算,就應(yīng)選用求和積分電路;如果用積分電路來進(jìn)行波形變換,則應(yīng)選用基本的反相積分電路,如圖1所示。圖1反相積分電路為了盡量減小積分漂移4,在設(shè)計(jì)積分電路時(shí),應(yīng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。在圖1所示的反相積分電路中,RP為靜態(tài)平衡電阻,用以補(bǔ)償偏置電

4、流所產(chǎn)生的失調(diào);RF為積分漂移泄放電阻,用以防止積分漂移所造成的積分飽和或截止現(xiàn)象。但應(yīng)注意的是,增加RF后,由于RF對(duì)電容的分流作用,將產(chǎn)生新的積分誤差。為了盡量減小RF 所引入的積分誤差,必須滿足RF>>R,通常選取RF > 10R。(2) 積分時(shí)間常數(shù)的確定積分時(shí)間常數(shù)是決定積分器工作速度的主要參數(shù),值愈小工作速度愈高。但是,由于集成運(yùn)算放大器的最大輸出電壓為有限值(通常為±10V 左右) ,是不允許將時(shí)間常數(shù)選得太小的。(3) 電路元件參數(shù)的確定當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)確定之后,可進(jìn)一步確定元件參數(shù)。由于反相積分器的輸入電阻Ri = R,而時(shí)間常數(shù)為 = RC?？梢奟

5、的取值越大,越有利于提高積分器的輸入電阻。但是加大R ,就必須相應(yīng)減小電容C,這又會(huì)加劇積分漂移;另一方面,電容器的容量越大,漏電又要相應(yīng)增大,也使積分誤差增大?？紤]到這一切,積分電容C以不超過1F為宜。由此可見,R、C參數(shù)的選擇原則應(yīng)當(dāng)是:在滿足積分器輸入電阻要求的條件下,盡量選用較小的R 值和較大的C值,且C值以不超過1F 為宜。(4) 集成運(yùn)算放大器的選擇為了減小積分漂移,應(yīng)盡量選用失調(diào)及漂移較小的集成運(yùn)算放大器;為了減小積分器輸出的時(shí)間滯后和積分誤差,集成運(yùn)放開環(huán)增益AVD和帶寬BW 5的選擇也不可忽視。2 基本同相積分電路圖2 同相積分電路如圖2所示為基本同相積分電路。圖中接于同相輸

6、入端和信號(hào)源之間的電阻以及同相輸入端對(duì)地的電容C組成基本積分電路，接于同相輸入端和輸出端之間的電阻R引入一正反饋，以改善積分效果。隨著積分時(shí)間增長(zhǎng)，流過輸入端電阻R的電流i1逐漸減小，但增加了來自輸出端的反饋電流if，若正反饋適當(dāng)，就可保持電容器C的充電電流ic不變，以維持輸出電壓線性變化。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增長(zhǎng)，輸出電壓Vo增大，由于接于反相端的兩電阻阻值相等，則U-(t)=VO(t)/2,又由于放大器虛短即U-(t)=U+(t)，所以u(píng)+(t)也增大。因此流過同相端電阻R的電流為： i1= 逐漸減小，if = 將逐漸增加，由于在上圖中四個(gè)電阻阻值相同，所以使得ic不變。數(shù)學(xué)上： Ii(S)

7、 = If(S) = Ii(S) + If(S) = U+(S)SC根據(jù)同相輸入端與反相輸入端的虛短路和虛開路特性可得：U+(S) = U-(S) = 由上述諸式可得：Uo(S) = Ui(S)由拉氏反變換6得上式的原函數(shù)為：Vo(t) = 可見，同相積分器的輸出為反相積分器輸出的兩倍。當(dāng)為Vi(t) = V1常數(shù)時(shí)，則有： | Vo(t)| = V1當(dāng)Vi = Vmsint時(shí)則有：Vo(t) = = - cost要使同相積分器獲得精確的積分運(yùn)算關(guān)系，除了要求放大器的開環(huán)增益足夠高之外，還要求正反饋恰到好處，正反饋過量或不足（即四個(gè)數(shù)值相等的電阻R值匹配不好）,都會(huì)造成運(yùn)算誤差。電路中運(yùn)算放大

8、器可根據(jù)精度選擇器件，同樣也需注意電路的輸出電壓和電流不要超過運(yùn)算放大器的額定值Vom和Iom。3 其他積分電路 圖3 求和積分器 圖4 比例積分器圖5 擴(kuò)大了定時(shí)范圍的積分電路 圖6 低漂移積分器 圖7 可控積分器圖8 高速積分器圖9 低成本積分器4 誤差分析在實(shí)際的積分運(yùn)算電路中，產(chǎn)生積分誤差的原因有以下幾方面：一方面是由于集成運(yùn)放不是理想特性而引起的。例如，當(dāng)Vi=0時(shí)，VO也應(yīng)為零。但由于運(yùn)放的輸入偏置電流流過積分電容，使VO逐漸上升，時(shí)間愈長(zhǎng)，誤差愈大。又如，由于集成運(yùn)放的通頻帶不夠?qū)挘狗e分電路時(shí)快速變化的輸入信號(hào)反應(yīng)遲鈍，使輸出波形出現(xiàn)滯后現(xiàn)象等等。另一個(gè)產(chǎn)生積分誤差的原因是由于

9、電容引起的。例如，當(dāng)Vi回到零以后，VO應(yīng)保持原來的值不變，但是，由于積分電容漏電流的存在，使VO的幅值逐漸下降。又如，由于電容存在吸附效應(yīng)也將給電路帶來誤差。第三個(gè)原因是積分器的零位漂移7所引起。積分器因失調(diào)電壓8和失調(diào)電流9所引起的積分器的漂移。（失調(diào)電壓：當(dāng)集成運(yùn)放差模輸入端外加電壓為零時(shí)，由于輸入差分級(jí)不對(duì)稱，以及后續(xù)電路不完善，則表現(xiàn)出差模電壓為零，而輸出電壓并不為零的失調(diào)現(xiàn)象。失調(diào)電流：集成運(yùn)放在失調(diào)電壓被補(bǔ)償后兩個(gè)輸入端偏流之差的絕對(duì)值，定義為失調(diào)電流。）引起積分誤差的第四個(gè)原因是由于溫度漂移10所引起的。運(yùn)算放大器隨著溫度的改變會(huì)嚴(yán)重影響放大器特性，從而引起積分器的漂移，簡(jiǎn)稱“

10、溫漂”。在實(shí)際運(yùn)用中，減小溫度漂移減小積分誤差的重點(diǎn)考慮因素之一。減小“溫漂”的方法是在放大器前加一溫度系數(shù)相同的二極管或三極管，一般情況下是在放大器輸入級(jí)接一相同的放大器，以抵消放大器產(chǎn)生的溫度漂移。實(shí)際上，即使是積分器輸入電壓為零而積分器仍然有積分輸出，即積分器零位漂移。圖10 等效電路圖10為積分器失調(diào)電壓、偏置電流等效電路。其它條件看作理想運(yùn)放11情況。為了分析積分漂移，在電路中設(shè)置了開關(guān)S0初始時(shí)開關(guān)S閉合，運(yùn)放零電位輸出電壓為： Vo(0+) = VIO - IB+R2 當(dāng)t>0時(shí),開關(guān)S打開，積分器工作，積分電容C充電。電容電壓為： VC(t) = 充電電流為： ic =

11、i1+IB- = - +IB-當(dāng)選取時(shí)，積分器的輸出電壓為： Vo(t) = Vo(0+)+VC(t) = Vo(0+)+= Vo(0+)+t- (IB+-IB-)t其中，令I(lǐng)IO = IB+- IB-則IIO為失調(diào)電流，VIO為失調(diào)電壓?？梢?，失調(diào)電壓和失調(diào)電流也和輸入電壓信號(hào)一樣引起積分輸出，積分時(shí)間越長(zhǎng)，積分漂移也越大。為了便于與輸入電壓信號(hào)相比較，將式中的積分漂移電壓折算到輸入端，即除以-t/RC，則等效誤差電壓為：V = - VIO+RIIO為了減小這一項(xiàng)誤差，應(yīng)選擇失調(diào)電壓和失調(diào)電流均小的運(yùn)放，在允許的條件下可選擇小一點(diǎn)的電阻?？?結(jié)積分電路是培養(yǎng)和提高大學(xué)生綜合能力的重要基礎(chǔ),掌

12、握理解好此電路有利于我們理解消化理論教學(xué)中的基本概念。本文只例舉了幾種實(shí)用的積分器,隨著科技進(jìn)步對(duì)積分電路的改進(jìn)和探討還有廣闊的發(fā)展空間，但這些發(fā)展都將以我們討論的積分電路為基礎(chǔ)，因此，本文不管從理論還是實(shí)際應(yīng)用上都具有一定的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前積分電路被廣泛用作模擬計(jì)算機(jī)、積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基本單元,是實(shí)現(xiàn)電壓比較、波形轉(zhuǎn)換、波形振蕩、觸發(fā)器工作以及實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是我們必須看到隨著科技的迅猛發(fā)展，模擬計(jì)算機(jī)等模擬器將被歷史所被淘汰，模擬積分運(yùn)算電路必將不斷改進(jìn)與創(chuàng)新以適應(yīng)科技發(fā)展的步伐。通過完成本次設(shè)計(jì)了解了積分運(yùn)算的基本過程，以及積分電路誤差的產(chǎn)生原因和改進(jìn)措施；熟悉了兩種

13、典型的積分電路（反相積分電路和正相積分電路）的分析份與運(yùn)用；學(xué)會(huì)了分析積分電路的基本方法；熟悉了論文設(shè)計(jì)的基本步驟與方法；鍛煉了自己獨(dú)立思考問題解決問題的能力；同時(shí)也培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在設(shè)計(jì)中我不斷的在圖書館和機(jī)房之間穿梭。從課本和網(wǎng)絡(luò)中拼命的汲取知識(shí)的甘露，在一點(diǎn)一滴中尋找自己需要的理論知識(shí)。從自己的進(jìn)一步學(xué)習(xí)中我真正的了解到自己的無知和知識(shí)的狹隘，進(jìn)一步的明白學(xué)無止境的真正含義。參考文獻(xiàn)1宋家友,吳顯鼎等.集成電子線路手冊(cè)第一版.福建科學(xué)技術(shù)出版社,2002.5.2楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程.第二版.高等教育出版社,2003.3盧容德,熊俊俏.談?wù)劮e分電路分析方法.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),第2卷第4期.4童詩白,華成英.模擬電子技術(shù).第三版.高等教育出版社,2002.5.5謝江.模擬電子技術(shù).哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.6.6李隆寶.實(shí)用電子器件和電路簡(jiǎn)明手冊(cè).第二版.電子工業(yè)出版社,1991.5.7謝沅清,解月珍.電子電路基礎(chǔ).人民郵電出版社,2000.6.8嚴(yán)楣輝,楊光壁.集成運(yùn)算放大器分析與應(yīng)用.電子科技大學(xué)出版社,1992.9沈尚賢.電子技術(shù)導(dǎo)論