詳細(xì)探討了運(yùn)放反相放大電路與積分電路中反饋電阻和電容的作用。在反相放大電路中,電容主要用于穩(wěn)定電路,減少高頻干擾,而電阻是主要的放大元件。在積分電路中,電容起主導(dǎo)作用,電阻則提供直流反饋路徑,防止因失調(diào)電壓導(dǎo)致的飽和狀態(tài)。通過(guò)仿真和理論分析,闡述了電阻電容如何影響電路性能和穩(wěn)定性。
運(yùn)放反相比例放大電路中反饋電阻兩端經(jīng)常并聯(lián)一個(gè)電容,而運(yùn)放積分電路的反饋電容上常常并聯(lián)一個(gè)電阻,兩者電路結(jié)構(gòu)相似,如下所示(隱去阻容值),二者有何區(qū)別呢?電阻、電容分別又起到什么作用?
反相放大電路:電阻為主,電容為輔。
先說(shuō)結(jié)論,反相放大電路中,電阻為主,電容為輔,加上電容只是為了讓電路更加穩(wěn)定,避免高頻干擾。
從時(shí)域角度理解:
我們?cè)贚Tspice中搭建如下仿真電路,輸入端Vin1模擬一個(gè)脈沖干擾,觀察輸出波形vout會(huì)怎樣?
簡(jiǎn)單介紹:輸入信號(hào)給1個(gè)激勵(lì)脈沖,初始電平為0V,高電平為1V,1ms時(shí)刻開(kāi)始上升,上升時(shí)間為50ns,高電平維持50ns,下降沿50ns。電阻R1為10k,電阻R2為100k,反饋電容設(shè)置為可變量C1_VALUE。仿真命令中將C1_VALUE設(shè)置為列表形式,取值依次為0pf和2pf,分別對(duì)應(yīng)沒(méi)有反饋電容和2pf反饋電容,對(duì)應(yīng)的仿真輸出曲線也有兩條。
仿真結(jié)果如下:
藍(lán)色線為輸入信號(hào),模擬1個(gè)向上的脈沖信號(hào),上升時(shí)間為50ns,高電平為1V,維持50ns,下降沿50ns;紅色線(下面那條,C1_VALUE=0PF)為電容為0pf(即沒(méi)有電容)時(shí)的輸出,由圖可見(jiàn)當(dāng)沒(méi)有反饋電容時(shí),輸入信號(hào)被反向放大10倍,幅度達(dá)到-10V;
紅色線(中間那條,C1_VALUE=2PF)為電容為2pf時(shí)的輸出,由圖可見(jiàn)當(dāng)有反饋電容時(shí),輸入信號(hào)也會(huì)被放大。但由于電容兩端電壓不能突變,輸出電壓并不是跟隨輸入立刻達(dá)到-10V,而是緩慢增大。還未達(dá)到最大值時(shí),輸入信號(hào)的脈沖干擾已經(jīng)消失,此時(shí)輸出電壓不再增加,而是反向減小,恢復(fù)原值。與電容濾波原理一樣。
個(gè)人覺(jué)得并不嚴(yán)謹(jǐn),也可能是自己理解不夠。
假設(shè)輸入信號(hào)Vin有個(gè)向上的脈沖干擾,該干擾傳遞到運(yùn)放反相輸入端,方向向上;而同相輸入端接地,電壓不變(由于時(shí)間很快,還未建立負(fù)反饋,因此虛短還未建立,即同相輸入端和反相輸入端電壓并不一致)。由于運(yùn)放放大作用此時(shí)輸出端Vout有個(gè)向下脈沖干擾。但是因?yàn)橛胁⒙?lián)電容C1,電容兩端電壓不能突變,因此電容右端是緩慢向下變化的,與LTspice仿真圖中類似。
以上通過(guò)仿真和電容知識(shí)分析了當(dāng)有高頻干擾時(shí),電容可以起到“緩沖”的作用,減少干擾。
從頻域角度理解:
R2、C1 共同組成反饋網(wǎng)絡(luò),確切說(shuō)是“阻抗”,即二者并聯(lián)值,運(yùn)放的放大倍數(shù)由反饋“阻抗”決定,完整表達(dá)式為R2/((1+jwC1R2)*R1)。
對(duì)于直流信號(hào)而言,w為0(反饋電容阻抗1/jwC1無(wú)窮大,相當(dāng)于開(kāi)路),此時(shí)只有反饋電阻R1有作用,放大倍數(shù)退化為R2/R1;對(duì)于高頻信號(hào),w很大(反饋電容阻抗1/jwC1無(wú)窮小,相當(dāng)于短路),放大倍數(shù)趨近于0,即濾除了高頻信號(hào),提高運(yùn)放的穩(wěn)定性,防止自激震蕩
仿真原理圖如下:
簡(jiǎn)單介紹:幅頻特性仿真,R1為10k,R2為100k,反饋電容設(shè)置為可變量C1_VALUE。仿真命令中將C1_VALUE設(shè)置為列表形式,取值依次為0pf和2pf,對(duì)應(yīng)的仿真輸出曲線也有兩條。
仿真結(jié)果如下:
當(dāng)反饋電容為0pf時(shí),幅頻特性曲線如藍(lán)色線條所示,始終為20dB,即放大倍數(shù)為100k/10k=10倍。
當(dāng)反饋電容為2pf時(shí),幅頻特性曲線如紅色線條所示,呈低通濾波特性:低頻段為20dB,隨著頻率上升增益下降,-3dB大約在797kHz,即1/(2piR2*C1)≈795kHZ,理論值與仿真結(jié)果一致。
小結(jié)
以上為理想運(yùn)放仿真結(jié)果,實(shí)際上由于寄生電容的存在,高頻干擾更容易造成電路不穩(wěn)定。因此,為了提高運(yùn)放的穩(wěn)定性,防止自激震蕩,可以適當(dāng)增加反饋電容。反饋電容會(huì)改變相位并降低帶寬,一般都是選pF級(jí)的電容,即電阻為主,電容為輔。
積分電路:電容為主,電阻為輔。
先說(shuō)結(jié)論,運(yùn)放積分電路中,電容為主,電阻為輔。加上電阻只是為了增加直流通路,避免輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流等造成的持續(xù)電流使得運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)。
這里貼上《新概念電路》中積分器知識(shí)。
《新概念模擬電路》中已經(jīng)講得很清楚,我們這里做個(gè)仿真,原理圖如下:
簡(jiǎn)單介紹:輸入信號(hào)VIN設(shè)置為幅度1V,頻率為5kHz的正弦信號(hào)。為了便于計(jì)算,電容C1設(shè)置為3.1831nf,即在5kHz頻率下10k阻抗對(duì)應(yīng)的電容值。運(yùn)放為理想運(yùn)放。
仿真結(jié)果如下:
紅色為輸入信號(hào),幅度為1V,頻率為5kHz,藍(lán)色為輸出信號(hào),幅度也為1V,頻率為5kHz,且輸出信號(hào)明顯為輸入信號(hào)的積分,即該積分電路可正常工作。
上面為理想情況,實(shí)際工作中輸入信號(hào)可能含有直流成分,運(yùn)放存在失調(diào)電壓和失調(diào)電流,無(wú)論那種情況都會(huì)使運(yùn)放很快進(jìn)入飽和狀態(tài),即輸出接近±供電電壓。
下面我們調(diào)整運(yùn)放的參數(shù)失調(diào)電壓為1V(實(shí)際一般為uV級(jí)到mV級(jí),此處為了便于顯示,修改為1V),仿真結(jié)果如下:
紅色為輸入信號(hào),交流幅度為1V,頻率為5kHz,藍(lán)色為輸出信號(hào),趨近于﹣15V,即此時(shí)處于飽和狀態(tài)。根據(jù)《新概念》,由于存在直流分量,一直對(duì)電容充電,這個(gè)時(shí)候運(yùn)放無(wú)法維持虛短。圖中,灰色線即為運(yùn)放反相輸入端電壓,確實(shí)不為0,并沒(méi)有和同相輸入端的GND保持一致。
為了使積分電路能正常工作,電容兩端并聯(lián)一個(gè)電阻,本次仿真取100k,仿真結(jié)果如下:
紅色為輸入信號(hào),交流幅度為1V,頻率為5kHz,藍(lán)色為輸出信號(hào),均值為-10V,交流幅度為1V,頻率為5kHz。灰色線即為運(yùn)放反相輸入端電壓,為1V,與我們之前設(shè)置的失調(diào)電壓1V相等,此時(shí)滿足虛短。由圖可見(jiàn),輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的積分,只不過(guò)多了個(gè)直流分量,相當(dāng)于積分時(shí)的常量。本例中失調(diào)電壓最終放大了10倍,實(shí)際使用時(shí)失調(diào)電壓較小,對(duì)最終的輸出影響也較小。因此我們可以選取一個(gè)合適的電阻值,使積分電路可以正常工作,避免快速進(jìn)入飽和狀態(tài)。
也可以換個(gè)角度考慮,對(duì)于直流信號(hào)而言,電容阻抗無(wú)窮大,相當(dāng)于開(kāi)路,即沒(méi)有反饋回路,不再滿足虛短,那么運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端的壓差肯定會(huì)使運(yùn)放飽和。增加直流反饋通路后,對(duì)于直流信號(hào),該電阻可以形成負(fù)反饋回路,避免運(yùn)放飽和。而對(duì)于高頻信號(hào)而言,電容阻抗較小,只要電阻不選得太小,此時(shí)并聯(lián)阻抗取決于電容,電阻也不會(huì)影響電路額高頻特性。
小結(jié)
為了避免積分電路進(jìn)入飽和狀態(tài),需要增益一條直流反饋回路,確保運(yùn)放工作在“深度負(fù)反饋區(qū)”,維持運(yùn)放的虛短特性,此時(shí)積分器才可以正常工作。電阻的選取需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。
本文鏈接:https://blog.csdn.net/keilzc/article/details/128756648
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原文標(biāo)題:探究反向放大電路與積分電路:電容電阻差異
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