基于運(yùn)算放大器的模擬積分器電路設(shè)計(jì)

在電子世界走向數(shù)字化之前，基于微分方程求解的控制系統(tǒng)使用模擬計(jì)算來解方程。因此，模擬計(jì)算機(jī)相當(dāng)普遍，因?yàn)閹缀跛形⒎址匠痰那蠼舛夹枰獙?duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算的能力。

雖然控制系統(tǒng)大多都已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并且數(shù)值積分也已取代模擬積分，但在傳感器、信號(hào)生成和濾波的運(yùn)算方面，仍然需要模擬積分器電路。

這些應(yīng)用使用基于運(yùn)算放大器的積分器，并在反饋回路中帶有電容元件，以便為低功耗應(yīng)用提供必要的信號(hào)處理。盡管實(shí)用性仍然很重要，但許多設(shè)計(jì)人員可能會(huì)輕易忽略。

本文概述了積分器電路，并以 Texas Instruments 的幾個(gè)產(chǎn)品為例，就正確設(shè)計(jì)、元器件選擇和最佳實(shí)踐提供指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)卓越性能。

一、基本反相積分器

經(jīng)典的模擬積分器采用運(yùn)算放大器，并且以電容器作為反饋元件(圖 1)。

圖 1：基本反相模擬積分器包含一個(gè)運(yùn)算放大器，并且在反饋路徑上有一個(gè)電容器。

積分器的輸出電壓 VOUT 是輸入電壓 V IN 的函數(shù)，可以使用公式 1 計(jì)算。

基本反相積分器的增益系數(shù)是 -1/RC，該系數(shù)可應(yīng)用到輸入電壓積分。實(shí)際上，積分器所用的電容器應(yīng)具有小于 5% 的容差和低溫度漂移。聚酯電容器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在關(guān)鍵路徑位置應(yīng)使用公差為 ±0.1% 的電阻器。

該電路存在局限性，因?yàn)樵谥绷飨?，電容器代表開路，增益會(huì)無窮大。在工作電路中，根據(jù)非零直流輸入的極性，輸出將傳輸?shù)秸?a target="_blank">電源軌或負(fù)電源軌。這可以通過限制積分器的直流增益來糾正(圖 2)。

圖 2：在反饋電容器上并聯(lián)一個(gè)大電阻可限制直流增益，從而得到一個(gè)實(shí)用的積分器。

在反饋電容器上并聯(lián)一個(gè)高阻值電阻器 (RF)，可將基本積分器的直流增益限制為 -RF/R 值，從而得到一個(gè)實(shí)用的器件。這種添加法解決了直流增益問題，但卻限制了積分器的工作頻率范圍。觀察真實(shí)電路有助于理解此限制(圖 3)。

圖 3：使用真實(shí)元器件的實(shí)用積分器 TINA-TI 仿真。

該電路使用 Texas Instruments 的 LM324 運(yùn)算放大器。LM324 是一款優(yōu)異的通用運(yùn)算放大器，具有低輸入偏置電流(典型值 45 nA)、低失調(diào)電壓(典型值 2 mV)和 1.2 MHz 的增益帶寬積。電路輸入由仿真器的函數(shù)發(fā)生器以 500 Hz 的方波驅(qū)動(dòng)。這在仿真器示波器上顯示為上方跡線。電路會(huì)對(duì)方波進(jìn)行積分，并輸出一個(gè) 500 Hz 的三角函數(shù)，如示波器的下方跡線所示。

直流增益為 -270 kΩ/75 kΩ 或 -3.6 或 11 dB;這從電路的傳遞函數(shù)可以看出，如圖 3 的右下網(wǎng)格所示。從約 100 Hz 至約 250 kHz，頻率響應(yīng)按 -20 dB/ 十倍頻程滾降。這是積分器工作的有用頻率范圍，并且與運(yùn)算放大器增益帶寬積有關(guān)。

Texas Instruments 的 TLV9002 是新近推出的運(yùn)算放大器。這款 1 MHz 增益帶寬放大器具有 ±0.4 mV 的輸入失調(diào)電壓和 5 pA 的極低偏置電流。作為一款 CMOS 放大器，它適用于各種低成本便攜式應(yīng)用。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，務(wù)必要記住，積分器是一種累積器件。因此，如果沒有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致電容器電壓隨著時(shí)間的推移而增加或減少。在此應(yīng)用中，輸入偏置電流和失調(diào)電壓相對(duì)較低，并且輸入電壓會(huì)迫使反饋電容器定期放電。

在使用累積功能的應(yīng)用中，例如在測(cè)量電荷時(shí)，在積分器中必須有一種機(jī)制來重置電壓并建立初始條件。Texas Instruments 的 ACF2101BU 就具有這種機(jī)制。它是一款雙開關(guān)積分器，集成了一個(gè)內(nèi)置開關(guān)以對(duì)反饋電容器放電。由于該器件適用于需要電荷累積的應(yīng)用，因此具有 100 fA 的極低偏置電流，典型偏置電壓為 ±0.5 mV。

Texas Instruments 的 IVC102U 是一款類似的開關(guān)積分器 / 跨阻放大器。該器件與 ACF2101BU 的應(yīng)用范圍相同，但不同的是，每個(gè)封裝包含單個(gè)器件。此外，還具有三個(gè)內(nèi)部反饋電容器。其中包含對(duì)電容器組放電和連接輸入源的開關(guān)，因此設(shè)計(jì)人員能夠控制積分周期并包括保持操作，以及對(duì)電容器上的電壓放電。

二、非反相積分器

基本積分器將信號(hào)的積分反相。雖然與基本積分器串聯(lián)的第二個(gè)反相運(yùn)算放大器可以恢復(fù)原來的相位，但也可以在單級(jí)中設(shè)計(jì)一個(gè)非反相積分器(圖 4)。

圖 4：基于差分放大器運(yùn)算放大器配置的非反相積分器可以確保輸出相位與輸入相位匹配。

非反相版本的積分器使用差分積分器來保持輸出與輸入信號(hào)同相位。這種設(shè)計(jì)額外增加了無源元器件，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行匹配以實(shí)現(xiàn)最佳性能。輸入和輸出電壓之間的關(guān)系與基本積分器相同，只是符號(hào)不同，如公式 2 所示：

通過使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基本積分器進(jìn)行其他調(diào)整。例如，可以添加多個(gè)電壓輸入(V1、V2、V3…)，只要通過各自的輸入電阻(即 R1、R2、R3…)加到運(yùn)算放大器的非反相輸入。

輸出是輸入之和的積分。

三、一些常見的積分器應(yīng)用

過去，積分器一直用于微分方程求解。例如，機(jī)械加速度是其速度的變化率或?qū)?shù)。速度是位移的導(dǎo)數(shù)。積分器可用于獲取加速計(jì)的輸出并對(duì)其進(jìn)行一次積分運(yùn)算，以讀取速度。如果速度信號(hào)進(jìn)行了積分運(yùn)算，則輸出就是位移。這意味著通過使用積分器，單個(gè)傳感器的輸出可產(chǎn)生三個(gè)不同的信號(hào)：加速度、速度和位移(圖 5)。

圖 5：使用雙積分器，設(shè)計(jì)人員可以從加速計(jì)產(chǎn)生加速度、速度和位移讀數(shù)。

加速計(jì)的輸入經(jīng)過積分和濾波，得到速度。速度經(jīng)過積分和濾波，可得到位移。請(qǐng)注意，所有輸出均為交流耦合。這樣一來，就不再需要處理每個(gè)積分器的初始條件。

四、函數(shù)發(fā)生器

函數(shù)發(fā)生器可輸出多種波形，可以由多個(gè)積分器構(gòu)成(圖 6)。

圖 6：使用三個(gè) LM324 級(jí)設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器。OP1 是產(chǎn)生方波的張弛振蕩器;OP2 是將方波轉(zhuǎn)換為三角波的積分器;OP3 是另一個(gè)積分器，用作低通濾波器以消除三角波的諧波，從而產(chǎn)生正弦波。

函數(shù)發(fā)生器圍繞 LM324 設(shè)計(jì)，而 LM324 是前面討論的實(shí)用積分器。在該設(shè)計(jì)中，使用了三個(gè) LM324 運(yùn)算放大器，如 TINA-TI 仿真所示。第一級(jí) OP1 用作張弛振蕩器，并以 C1 和電位計(jì) P1 確定的頻率產(chǎn)生方波輸出。連接的第二級(jí) OP2 為積分器，將方波轉(zhuǎn)換為三角波。連接的最后一級(jí) OP3 為積分器，但用作低通濾波器。該濾波器去除三角波中的所有諧波，并輸出基頻正弦波。每級(jí)的輸出顯示在圖 6 右下方的仿真器示波器中。

五、羅氏線圈

羅氏線圈是一類電流傳感器，其利用纏繞在被測(cè)載流導(dǎo)體上的柔性線圈測(cè)量交流電源。它們用于測(cè)量高速電流瞬變、脈沖電流或 50/60 Hz 線路功率。

羅氏線圈執(zhí)行的功能類似于電流互感器。主要區(qū)別在于羅氏線圈使用的是空芯，而不是電流互感器中使用的磁芯?？招揪哂休^低的插入阻抗，從而在測(cè)量大電流時(shí)響應(yīng)更快且沒有飽和效應(yīng)。羅氏線圈非常易于使用(圖 7)。

圖 7：簡(jiǎn)化示意圖顯示了羅氏線圈在載流導(dǎo)體上的安裝(左)和此設(shè)置的等效電路(右)。

羅氏線圈如 LEM USA 的 ART-B22-D300，簡(jiǎn)單地纏繞在載流導(dǎo)體上，如圖 7 左側(cè)所示。羅氏線圈的等效電路如右圖所示。請(qǐng)注意，線圈的輸出與被測(cè)電流的導(dǎo)數(shù)成正比。積分器可用于提取感測(cè)到的電流。

羅氏線圈積分器的參考設(shè)計(jì)如圖 8 所示。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有 0.5 至 200 A 范圍的高精度輸出(精度為 0.5%)，以及相同電流范圍的快速建立輸出(不到 15 ms 時(shí)間內(nèi)的精度在 1% 以內(nèi))。

圖 8：此羅氏線圈積分器的參考設(shè)計(jì)使用 Texas Instruments 的 OPA2188，作為設(shè)計(jì)積分器元件中的主運(yùn)算放大器。

此參考設(shè)計(jì)使用 Texas Instruments 的 OPA2188，作為設(shè)計(jì)積分器元件中的主運(yùn)算放大器。OPA2188 是一款雙運(yùn)算放大器，采用專有的自動(dòng)調(diào)零技術(shù)，最大失調(diào)電壓為 25 微伏 (μV)，并且時(shí)間或溫度漂移接近于零。增益帶寬積為 2 MHz，典型輸入偏置電流為 ±160 pA。

對(duì)于該參考設(shè)計(jì)，Texas Instruments 選擇 OPA2188 的原因是低失調(diào)和低失調(diào)漂移。而且，低偏置電流可最大程度地減小羅氏線圈上的負(fù)載。

六、濾波器中的積分器

積分器在狀態(tài)變量和雙二階濾波器設(shè)計(jì)中都有使用。這些相關(guān)的濾波器類型使用雙積分器來獲得二階濾波器響應(yīng)。狀態(tài)變量濾波器是一種更有趣的濾波器，因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)計(jì)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生低通、高通和帶通響應(yīng)。該濾波器使用兩個(gè)積分器以及一個(gè)加法器 / 減法器級(jí)，如 TINA-TI 仿真所示(圖 9)。圖中顯示了低通輸出的濾波器響應(yīng)。

圖 9：狀態(tài)變量濾波器使用兩個(gè)積分器和一個(gè)加法器 / 減法器級(jí)，以從同一電路產(chǎn)生低通、高通和帶通輸出。

這種濾波器拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于，在設(shè)計(jì)過程中可獨(dú)立調(diào)節(jié)所有三個(gè)濾波器參數(shù)(增益、截止頻率和 Q 值)。在此示例中，直流增益為 1.9 (5.6 dB)，截止頻率為 1 kHz，Q 為 10。

高階濾波器的設(shè)計(jì)通過串聯(lián)多個(gè)狀態(tài)變量濾波器來實(shí)現(xiàn)。這些濾波器通常用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器前的抗混疊，其中要求高動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲。

盡管有時(shí)候世界似乎已經(jīng)全數(shù)字化，模擬積分器在信號(hào)處理、傳感器調(diào)節(jié)、信號(hào)生成和濾波方面，仍然是非常有用和通用的電路元件。
編輯：hfy