运算放大器积分器电路设计详解

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运算放大器积分器电路设计详解

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CSDN

https://m.blog.csdn.net/USALCD/article/details/139868257

运算放大器积分器电路是一种常见的模拟电路，广泛应用于信号处理、滤波和控制系统中。本文将详细介绍积分器电路的设计原理、步骤和仿真结果，帮助读者掌握这种电路的实用设计方法。

积分器电路

运算放大器(运放)积分器电路是在图2运放反相放大器的电路上增加一个积分电容构成，该积分电容并联在运算放大器的反馈电阻上，见图1。

运算放大器(运放)反相放大器电路

设计目标

输入fMin 输入f0dB 输入fMax 输出VoMin 输出VoMax 电源Vcc 电源Vee
100Hz 1kHz 100kHz –2.45V 2.45V 2.5V –2.5V

设计说明

积分器电路根据电路时间常数和放大器的带宽输出某个频率范围上输入信号的积分。会向反相输入施加输入信号，以使输出相对于输入信号的极点反相。理想的积分器电路会根据输入偏移电压的极点在电源轨上饱和，并需要添加一个反馈电阻器 R2，以提供稳定的直流运行点。反馈电阻器可限制用于执行积分函数的较低频率范围。该电路最常用作更大反馈/伺服环路的一部分，用于提供直流反馈路径，因此无需使用反馈电阻器。
图1 积分器电路

图2 反相放大器电路

设计说明

对于反馈电阻器，所使用的值大小应符合实际。
选择一个 CMOS 运算放大器，以最大程度地降低输入偏置电流产生的误差。
放大器的增益带宽积 (GBP) 将设置积分函数的频率范围上限。从与放大器带宽相距十倍频的位置开始，积分函数的有效性通常会降低。
需要将一个可调节基准连接到运算放大器的同相输入，以抵消输入偏移电压，否则大直流噪声增益将导致电路饱和。具有极低偏移电压的运算放大器可能不需要该操作。

设计步骤

下面给出了理想电路传递函数。
V o u t = − 1 R 1 × C 1 ∫ 0 t V i n ( t ) d t V_{out} = - \frac{1}{R_1 \times C_1}\int_{0}^{t}V_{in}(t)dtVout =−R1 ×C1 1 ∫0t Vin (t)dt

将 R1 设置为标准值。
R 1 = 100 K Ω R1=100K\OmegaR1=100KΩ
计算设置单位增益积分频率所需的 C1。
C 1 = 1 2 × π × R 1 × f 0 d B = 1 2 × π × 100 K Ω × 1 K h z = 1.59 n F C_1=\frac{1}{2 \times π \times R_1 \times f _{0dB}}=\frac{1}{2 \times π \times 100K\Omega \times 1Khz}=1.59nFC1 =2×π×R1 ×f0dB 1 =2×π×100KΩ×1Khz1 =1.59nF
计算将较低的截止频率设置为比最低工作频率小十倍频所需的 R2。
R 2 ≥ 10 2 × π × C 1 × f m i n ≥ 10 2 × π × 1.59 n F × 10 h z ≥ 100 M Ω R_2\geq\frac{10}{2 \times π \times C_1 \times f _{min}}\geq\frac{10}{2 \times π \times 1.59nF \times 10hz}\geq100M\OmegaR2 ≥2×π×C1 ×fmin 10 ≥2×π×1.59nF×10hz10 ≥100MΩ
选择增益带宽至少为所需的最大工作频率 10 倍的放大器。
G B P ≥ 10 × f M a x ≥ 10 × 100 K H z ≥ 1 M H z GBP\geq 10 \times f_{Max} \geq 10 \times 100KHz \geq 1MHzGBP≥10×fMax ≥10×100KHz≥1MHz