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如果电路教材这么讲--积分运算电路中反馈电容并联电阻的作用

  在学习模电教材运算电路章节中,运放的反馈仅仅有一个电容,但现实中设计的电路中常常在电容旁并联一个电阻,教材中讲到:为了防止低频信号增益过大。但是还是非常疑惑,什么意思呢?今天我们就来通俗说下为什么要加这个电阻?这个电阻的作用是什么?

一、理想积分器的问题

1. 理想模型理论结构:仅反馈电容 ,无并联电阻。

积分特性:Vout=(-1/RC)∫Vindt,可完美积分。

2. 致命问题运放并非理想器件,存在两个现实缺陷:

1.输入偏置电流:运放输入引脚有微小电流 Ib(典型值纳安级)持续流入/流出。

2.输入失调电压:即使输入为零,运放输入端口存在微小的电压偏移Vos 。

3.无并联电阻时:电容的直流阻抗无穷大,Ib或 Vos 无处释放,持续为电容充电:

Vout=(Ib/C)*t

时间越长,输出电压逐渐漂移至电源轨(正/负饱和),导致电路失能。

二、并联电阻的核心作用

1. “泄放通道”比喻

反馈电阻 的作用类似水桶底部的小孔:

电容充水:理想积分需要水桶无限容量。

现实漏水:小孔缓慢漏水(电阻泄放微小电流),避免水桶溢出(输出饱和)。

2. 具体功能

抑制直流漂移:为运放的输入偏置电流 Ib 和失调电压Vos  提供直流泄放路径,避免电容被持续缓慢充电。

稳定输出:将积分器的直流增益限制为有限值Rf/R ,避免积分器成为开环放大器。

三、并联电阻的参数设计

1. 取值原则满足直流稳定性:Rf>>R

电容的直流阻抗足够小

不影响积分功能:在工作频率下,Rf 对积分主导作用无显著干扰:若积分下限频率为 fmin,取Rf 的值,1/2πRfC>>fmin。

举例:C=1μF,积分时间常数τ=R*C=1s (对应R=1MΩ )。

选择并联电阻Rf=10R=10MΩ ,此时1/2πRfC=0.016Hz ,远低于典型信号频率。

2. 设计副作用

并联电阻后,积分器在低频时退化为反相放大器,传递函数变为:

H(s)=-(Rf/R)*(1/(1+RfC*s))

实际积分效果限制在 f>>1/2πRfC 的频率范围。

四、实战案例与验证

1. 实验现象验证

不接 Rf:输入接地时,用示波器观察输出缓慢漂移,最终稳定在VCC或 VEE。

接入 Rf:输出稳定在Vout≈-Ib*Rf 。

2. 参数误选导致失效

错误示例:

积分时间常数τ=R*C=1ms,选R=1kΩ , C=1μF。

若误取 Rf=1kΩ,则1/2πRfC=159Hz ,实际积分仅对f>>159Hz 的信号有效。

正确修复:改用Rf=10MΩ ,使1/2πRfC=0.016Hz ,积分效果覆盖更宽频率范围。

五、总结

“积分电容并电阻,绝非设计多此举,直流泄放稳输出,低频截止保精度。

本质矛盾:

理想积分器的无穷大开环增益与运放现实的非理想性之间的妥协。

设计窍门:

使用低漏电流电容(如薄膜电容)。

选择低输入偏置电流运放(如 JFET 或 CMOS 输入型)。

折中处理:允许积分器在极低频退化,换取电路稳定性。

http://www.xdnf.cn/news/7644.html

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