问题

为什么积分运算电路的输出波形下移?

回答
在模拟电路的世界里,积分运算电路是一个非常有用的工具,能够将输入信号进行积分运算,得到一个随时间变化的输出。然而,在实际电路中,我们常常会遇到一个令人困惑的现象:积分电路的输出波形似乎“下移”了,特别是当输入信号是直流或者缓慢变化的信号时。这到底是怎么回事呢?这不是一个简单的“下移”,而是背后多种因素共同作用的结果,今天我们就来好好掰扯掰扯。

理解积分运算电路的核心

首先,我们得回顾一下积分运算电路的基本原理。一个理想的跨阻积分器(通常使用运算放大器)是通过一个电阻(R)和一个电容(C)构成的。运算放大器的虚短和虚断是其工作的核心:

虚短(Virtual Short): 运算放大器的同相输入端(+)和反相输入端()之间的电压差趋近于零。
虚断(Virtual Open): 运算放大器的输入阻抗非常高,流经其输入端的电流几乎为零。

对于一个基本的跨阻积分器,输入信号 $V_{in}$ 通过电阻 $R$ 加到运算放大器的反相输入端。电容 $C$ 连接在反相输入端和输出端之间。

根据基尔霍夫电流定律,流过电阻 $R$ 的电流是 $I_R = frac{V_{in} V_{}}{R}$。由于运算放大器的输入电流为零,所以这个电流 $I_R$ 必须全部流过电容 $C$。

电容上的电流与电容两端电压的变化率的关系是 $I_C = C frac{dV_C}{dt}$。

在反相输入端, $V_{} approx V_{+}$。如果同相输入端接地($V_{+} = 0$),那么 $V_{} approx 0$。

所以,$I_R = frac{V_{in}}{R}$。

又有 $I_C = I_R$,所以 $C frac{dV_C}{dt} = frac{V_{in}}{R}$。

电容两端的电压 $V_C$ 是输出电压 $V_{out}$ 和反相输入端电压 $V_{}$ 之间的差值,即 $V_C = V_{} V_{out}$。

因为 $V_{} approx 0$,所以 $V_C approx V_{out}$。

将此代入上面的公式:$C frac{d(V_{out})}{dt} = frac{V_{in}}{R}$。

$frac{d V_{out}}{dt} = frac{V_{in}}{RC}$。

对等式两边进行积分,我们就得到了积分运算电路的输出电压:

$V_{out}(t) = frac{1}{RC} int V_{in}(t) dt + V_{out}(0)$

这里的 $V_{out}(0)$ 是积分电路的初始输出电压。

那么,为什么输出波形会“下移”呢?

从上面的公式我们可以看到,输出电压是输入电压的积分。如果输入信号是恒定的直流电,比如 $V_{in} = V_{dc}$,那么输出将是 $V_{out}(t) = frac{1}{RC} V_{dc} t + V_{out}(0)$。这是一个斜率恒定的直线,输出电压会随着时间线性增加(如果 $V_{dc}$ 是正的)或减小(如果 $V_{dc}$ 是负的)。

“下移”这个说法,通常是指在实际电路中,当输入是直流信号或者非常缓慢的信号时,输出波形会偏离预期的积分结果,并且这种偏离会随着时间累积,看起来像是波形整体向下“漂移”。这背后隐藏着几个关键的“罪魁祸首”:

1. 运算放大器的输入失调电压 (Input Offset Voltage, $V_{os}$):
是什么: 即使输入端的信号都为零(比如同相输入端接地,反相输入端也无信号),运算放大器内部的器件也存在微小的差异,导致其输出不是零。这种非零的输出电压被等效成一个加在其中一个输入端的微小电压源,这个电压源就是输入失调电压 $V_{os}$。
如何影响: $V_{os}$ 会被电路当作一个微小的输入信号进行积分。如果 $V_{os}$ 是正的,它会被加到同相输入端(被等效),或者它会让反相输入端不是完全的零电位(尽管被认为是虚短)。无论如何,这个微小的电压差会通过积分电路进行放大和累积。
举例: 假设 $V_{os}$ 是一个恒定的 1mV,并且是正值。在我们的积分电路中,它会被视为一个恒定的输入信号 $V_{in_equiv} = V_{os}$。那么输出电压会变成 $V_{out}(t) = frac{1}{RC} int (V_{in}(t) + V_{os}) dt + V_{out}(0)$。如果 $V_{in}(t)$ 是零,那么 $V_{out}(t) = frac{1}{RC} V_{os} t + V_{out}(0)$。这个输出会随时间线性地负向漂移。这就是最常见的“下移”原因。

2. 运算放大器的输入偏置电流 (Input Bias Current, $I_B$):
是什么: 运算放大器虽然输入阻抗很高,但仍然需要一个很小的直流电流来偏置其内部输入晶体管。这两个输入端(同相和反相)的偏置电流可能不完全相等,其差值被称为输入失调电流 ($I_{os}$). 但是,如果我们考虑的是输入偏置电流本身,那么流过这两个输入端的电流都存在。
如何影响: 在一个理想的积分器中,同相输入端通常是接地的($V_{+} = 0$),反相输入端也被认为是零电位($V_{} approx 0$)。然而,如果同相输入端接地,那么流过同相输入端的偏置电流 $I_{B+}$ 会流向地。反相输入端连接到输入电阻 $R$ 和电容 $C$。如果 $V_{} approx 0$,那么流过 $R$ 的电流是 $V_{in}/R$。这个电流加上流过反相输入端的偏置电流 $I_{B}$ 才真正构成流过电容 $C$ 的电流。
更复杂的场景是,当同相输入端并非直接接地,而是通过一个电阻 $R_f$ 接地时(这是为了匹配偏置电流的影响),那么 $V_{+} approx I_{B+} R_f$。而 $V_{} approx I_{B} R_{in}$ (假设 $R_{in}$ 是输入到反相端的总电阻,这里是 $R$)。
如果同相端是直接接地的,那么 $V_{+} = 0$。流过电容的电流是 $I_C = frac{V_{in} V_{}}{R} I_{B}$. 如果 $V_{} approx 0$,那么 $I_C approx frac{V_{in}}{R} I_{B}$.
当 $V_{in} = 0$ 且 $V_{} approx 0$ 时,流过电容的电流就近似等于 $I_{B}$。这个电流流过电容,会引起电容两端电压的变化,即 $C frac{dV_C}{dt} = I_{B}$. 由于 $V_C approx V_{out}$,那么 $C frac{d(V_{out})}{dt} = I_{B}$, 也就是 $frac{dV_{out}}{dt} = frac{I_{B}}{C}$。
结果: 如果 $I_{B}$ 是正的(电流流入运算放大器),那么输出会随着时间负向漂移。如果 $I_{B}$ 是负的(电流流出运算放大器),那么输出会随着时间正向漂移。通常,如果同相输入端接地,反相输入端的偏置电流是引起输出漂移的主要原因之一。

3. 运算放大器的输入失调电流 (Input Offset Current, $I_{os}$):
是什么: $I_{os} = |I_{B+} I_{B}|$.
如何影响: 如果没有进行偏置电流补偿(即同相输入端没有通过一个与输入电阻匹配的电阻接地),那么 $I_{os}$ 也会引起输出漂移。当同相输入端接地 ($V_{+} = 0$) 时,流过同相端的偏置电流 $I_{B+}$ 会流向地。流过反相端的偏置电流是 $I_{B}$. 在这种情况下,$I_{os}$ 的存在意味着 $I_{B+}$ 和 $I_{B}$ 不相等,从而导致一个净的电流流过输入端。
如果同相输入端接地 ($V_{+} = 0$),流入反相端的电流是 $I_{R} = frac{V_{in} V_{}}{R}$. 流过电容的电流是 $I_C = I_{R} I_{B}$.
如果 $V_{} approx 0$ 且 $V_{in} = 0$,那么 $I_C approx I_{B}$.
但如果我们考虑 $I_{os}$,并且假设 $V_{in} = 0$,同相端接地,那么:
流过同相端的电流是 $I_{B+}$.
流过反相端的电流是 $I_{B}$.
这两个电流的差值 $I_{os}$ 实际上是因为输入晶体管结温等微小差异造成的。
更准确的分析是:当 $V_{in} = 0$ 且 $V_{} approx 0$,则 $I_R = 0$. 那么流过电容的电流 $I_C$ 必须等于从反相输入端流入运算放大器的电流,也就是 $I_{B}$.
所以 $C frac{dV_C}{dt} = I_{B}$. 还是会引起漂移。

消除 $I_{os}$ 影响的关键: 通常,为了消除或减小偏置电流和失调电流的影响,会在同相输入端接入一个与输入电阻 $R$ 等值或类似的电阻 $R_f$。这样,运算放大器的两个输入端感受到相似的电阻,从而使得因偏置电流产生的电压变化在两个输入端大致相同。理想情况下,如果 $R_f = R$,并且 $I_{B+} = I_{B}$,那么 $V_{+} = I_{B+} R_f$ 和 $V_{} = I_{B} R approx 0$. 如果 $V_{in}=0$, 那么 $I_R = (0V_{})/R = 0$. 流过电容的电流 $I_C = I_R I_{B} = I_{B}$. 此时,$V_{os}$ 仍然会引起漂移。

4. 运算放大器的输入电流(非偏置电流):
是什么: 运算放大器的输入阻抗并非无限大,虽然非常高,但仍然有微小的电流流入或流出。这些电流在电路中通过电阻或电容时,也会产生电压变化。
如何影响: 在积分电路中,这些微小电流流过输入电阻 $R$ 时,会产生一个小的电压降,这个电压降也会被积分,导致输出发生漂移。

5. 电路中的寄生电容和漏电流:
是什么: 任何电路元件(如PCB板上的走线、元件引脚之间、电容本身的绝缘层)都存在微小的寄生电容。另外,元器件(如电容、运算放大器)也可能存在微小的漏电流。
如何影响: 这些寄生电容在信号变化时会充放电,而漏电流则会持续地对电容进行微小的充放电。这些微小的电流也会被积分电路累积,引起输出漂移,特别是在长时间运行或处理低频信号时,这些效应会更加明显。

为什么“下移”?

“下移”这个描述,往往是在输入是直流(比如 0V)或非常缓慢变化的信号时观察到的。在这种情况下,理想的积分器输出应该是接近于零(如果初始条件是零)或一个缓慢变化的斜率。

失调电压 $V_{os}$: 如果 $V_{os}$ 是正的,它会被积分,导致输出电压随时间线性地负向(向下)漂移。
偏置电流 $I_{B}$: 如果流过反相输入端的偏置电流 $I_{B}$ 是正的,它流过电容,会导致输出电压随时间负向(向下)漂移。

所以,当我们看到输出波形“下移”时,通常是由于运算放大器的内部失调电压或偏置电流(特别是反相输入端的偏置电流)被电路积分,产生了一个负向的(向下的)累积效应。

如何缓解或消除这种“下移”现象?

1. 选择低失调电压和低偏置电流的运算放大器: 这是最直接的方法。选择“精密”或“零漂移”运算放大器可以显著减小这些效应。
2. 直流偏置补偿:
匹配输入电阻: 在同相输入端接入一个电阻 $R_f$,其阻值应与输入到反相端的总阻抗(在直流时为 $R$)相匹配。这样,运算放大器两个输入端感受到的直流偏置就更相似,可以部分抵消偏置电流的影响。
更进一步的补偿: 对于精密应用,可能需要更复杂的补偿电路,例如通过可调电位器来微调运算放大器的失调电压。
3. 使用“ Abschmitt”积分器或带有反馈电阻的积分器:
Abschmitt 积分器 (Slew Integrator): 这是一个带有迟滞功能的积分器,它会在输出达到某个阈值时,通过一个反馈通路快速将电容放电,重新开始积分。这可以防止输出漂移过大,但会限制积分的精度和线性度。
带有并联反馈电阻的积分器: 在理想积分器中,电容 $C$ 与输出端和反相输入端并联。如果在电容 $C$ 旁边并联一个很大的电阻 $R_f$,那么在直流情况下,信号会通过 $R_f$ 回到反相输入端。这使得电路在直流时变成一个反相放大器,增益为 $R_f/R$。这可以限制直流增益,从而限制失调电压和偏置电流的积分效应。当输入信号快速变化时,电容的阻抗远小于 $R_f$,电路表现得像一个积分器。但这个电阻会引入一个极点,影响电路的频率响应。

总结一下

积分运算电路输出波形“下移”并非简单的向下平移,而是由于运算放大器的输入失调电压、输入偏置电流、输入电流以及电路中的寄生效应等非理想因素,在积分过程中被累积和放大而导致的。其中,失调电压和偏置电流是最主要的原因,它们使得即使在没有输入信号的情况下,电路也可能产生一个随时间累积的输出电压变化。通过选择高性能的运算放大器和采取合适的电路补偿措施,我们可以有效地减小或消除这种“下移”现象,从而获得更准确的积分输出。

网友意见

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我猜您的计算过程应该是忽略了反馈通路上的1Mohm电阻?

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