什么是積分電路？一文解析所有積分電路應(yīng)用

積分電路由電阻和電容組成，與微分電路非常相近，但兩者并不相同。積分電路主要用于波形變換、放大電路失調(diào)電壓的消除及反饋控制中的積分補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合。

原理

積分電路是使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的時(shí)間積分值成比例的電路。最簡(jiǎn)單的積分電路由一個(gè)電阻R和一個(gè)電容C構(gòu)成，如圖(a)所示。若時(shí)間常數(shù)RC足夠大，外加電壓時(shí)，電容C上的電壓只能慢慢上升。在t<

u0(t)=1/Cdt≈1/RCdt

圖1即輸出電壓近似與輸入電壓的時(shí)間積分值成比例。如果輸入信號(hào)Ui(t)是一個(gè)階躍電壓，理想積分電路的輸出是一線性斜升電壓，如圖(b)虛線所示。簡(jiǎn)單的RC積分電路的實(shí)際輸出波形與理想情況不同，在t<

積分電路也可用運(yùn)算放大器和RC電路構(gòu)成。理想的運(yùn)算放大器，其輸入端電流i1≈0，輸入端電壓UI≈0。當(dāng)外加電壓ui(t)時(shí)，電容器C的充電電流iC=i≈ui(t)/R，輸出電壓uo(t)(即電容器C兩端電壓)為積分電路可用于產(chǎn)生精密鋸齒波電壓或線性增長(zhǎng)電壓，以作為測(cè)量和控制系統(tǒng)的時(shí)基;也可用于脈沖波形變換電路中。在電視接收機(jī)中，采用積分電路可從復(fù)合同步信號(hào)中分離出場(chǎng)同步脈沖。

積分電路還可以用于處理模擬信號(hào)。當(dāng)輸入為正弦信號(hào) ui(t)=Um 時(shí)，積分電路的輸出為

u0(t)=1/RCdt=Um/ωRC

其幅度為輸入信號(hào)的1/ωRC，相位落后90°。當(dāng)輸入信號(hào)含有不同頻率分量時(shí)，積分電路輸出端的信號(hào)中頻率較高的分量所占的比例降低。在間接調(diào)頻器中，為了用調(diào)相電路得到調(diào)頻波，先用積分電路對(duì)調(diào)制信號(hào)積分，后由調(diào)相電路對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制，得到調(diào)頻波。

圖a是積分電路，輸入信號(hào)Ui加在電阻R1上，輸出信號(hào)采集在電容C1兩端。

積分電路輸入信號(hào)是矩形脈沖，其波形如下圖b所示。在積分電路中，要求RC電路中的時(shí)間常數(shù)τ(τ=RC)遠(yuǎn)大于脈沖寬度Tx。

輸入電壓波形

當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，輸入信號(hào)電壓開始通過(guò)電阻R1對(duì)電容C1充電，在C1上的電壓極性為上正下負(fù)。由于這積分電路的RC時(shí)間常數(shù)比較大，所以C1上的電壓上升比較緩慢，按指數(shù)規(guī)律上升。

又因時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于脈沖寬度，對(duì)電容充電不久，輸入脈沖就跳變?yōu)榱?，?duì)電容的充電就結(jié)束了，也就是C1上的電壓只上升了很小一段，由于這一起始近似線性的(如下圖c所示)。在這一段充電期間，電流是從上而下流過(guò)C1，電壓極性為上正下負(fù)。

圖中紅色線為C1充放電曲線

積分電路電容充電過(guò)程中，充電電流I的大小可以由以下式?jīng)Q定：

由于積分電路的時(shí)間常數(shù)很大，輸出信號(hào)電壓還沒(méi)升高多少，下一個(gè)脈沖又來(lái)了，因此輸出電壓的信號(hào)很小，可以忽略得出以下公式：

由以上公式可以看出，流過(guò)電容C1的電流近似與輸入信號(hào)電壓成正比，所以C1上的輸出電壓近似的與輸入信號(hào)電壓Ui的積分成正比，所以將這種電路稱為積分電路。

當(dāng)輸入脈沖為低電平期間，輸入端電壓為0，這相當(dāng)于輸入端對(duì)地短接。由于C1上已經(jīng)充到了上正下負(fù)的電壓，這時(shí)C1開始放電：C1上端—R1—輸入端—輸入信號(hào)源內(nèi)部電路—地端，如下圖d所示：

電容放電回路示意圖

放電也是按時(shí)間常數(shù)規(guī)律進(jìn)行的，隨著放電的進(jìn)行，C1電容上的電壓也在慢慢下降，直到下一個(gè)脈沖的到來(lái)。

首先記牢，運(yùn)放的輸出受限于接入運(yùn)放的電源電壓。

然后，我們以輸入端到輸出端為正方向，則：

當(dāng)電流從輸入端經(jīng)電容流到輸出端，輸出端(電容)電壓逐漸下降(負(fù)壓逐漸增大)。當(dāng)下降到電源地，由于電壓不再變動(dòng)，于是電流消失，電容相當(dāng)于斷路，積分電路呈現(xiàn)比較器，輸出穩(wěn)定在電源地;

當(dāng)電流從輸出端經(jīng)電容流到輸入端，輸出端(電容)電壓逐漸增大(正壓逐漸增大)。當(dāng)上升到電源電壓，電壓不再變大，電流消失，電容相當(dāng)于斷路，積分電路又呈現(xiàn)比較器，輸出穩(wěn)定在電源正。