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技術文章—積分電路原理:放大器與電容的變身

2019-07-05
關鍵詞: 放大器 電容

  在網上看到一篇對積分電路以及如何理解電容作用相當不錯的文章,可以作為定性研究積分電路的一種方法,轉載供學習參考。

  將反相放大器中的反饋電阻,換作電容,便成為如圖一所示的積分放大器電路。對于電阻,貌似是比較實在的東西,電路輸出狀態可以一目了然,換作電容,由于充、放電的不確定性,電容又是個較“虛”的物件,其電路輸出狀態,就有點不易琢磨了。

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  圖一 積分電路的構成及信號波形圖

  想弄明白其輸出狀態,得先了解電容的脾性。電容基本的功能是充、放電,是個儲能元件。對變化的電壓敏感(反應強烈),對直流電遲鈍(甚至于無動于衷),有通交流隔直流的特性。對看待世界萬物都是呈現電阻特性的人來說,也可以將電容看成會變化的電阻,由此即可解開積分電路的輸出之謎。

  依據能量守恒定律,能量不能無緣無故地產生,也不能無緣無故地消失,由之導出電容兩端電壓不能突變的定理。充電瞬間,電容的兩極板之間尚未積累起電荷,故能維持兩端電壓為零的原狀態,但此瞬間充電電流為最大,可以等效為極小的電阻甚至導線,如果說電容充電瞬間是短路的,也未嘗不可,比如變頻器主電路中,對回路電容要有限流充電措施,正是這個道理;電容充電期間,隨時間的推移,充電電壓逐漸升高,而充電電流逐漸減小,也可以認為此時電容的等效電阻由最小往大處變化;電容充滿電以后,兩端電壓最高,但充電電流基本為零,此時電容等效為最大值電阻,對于直流電來說,甚至可以等效于斷路,無窮大的電阻了。

  總結以上,在電容充電過程中,有等效為最小電阻或導線、等效為由小變大的電阻、等效為最大電阻或斷路等三個狀態。正是電容的該變化特性,可以使積分放大器電路變身為如圖二所示的三種身份。

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  圖二 積分電路工作過程中的“三變身”

  參見圖二。

  1、電壓跟隨器。在輸入信號的t0(正向跳變)時刻,電容充電電流最大,等效電阻最小(或視為導線),該電路即刻變身為電壓跟隨器電路,由電路的虛地特性可知,輸出尚為0V。

  2、反相放大器。在輸入信號的t0時刻之后平頂期間,電容處于較為平緩的充電過程,其等效RP經歷小于R、等于R和大于R的三個階段,因而在放大過程中,在放大特性的作用下,其實又經歷了反相衰減、反相、反相放大等三個小過程。而無論是衰減、反相還是反相放大,都說明在此階段,積分電路其實是扮演著線性放大器的角色。

  3、在輸入信號平項期間的后半段,電容的充電過程已經結束,充電電流為零,電容相當于斷路,積分放大器由閉環放大到開環比較狀態,電路進而變身為電壓比較器。此際輸出值為負供電值。

  都說人會變臉,其實電路也能變身啊。在電容操控之下,放大器瞬間就變換了三種身份。能看穿積分放大器的這三種身份,積分放大器的“真身”就無從遁形了。


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