積分電路原理之新解——放大器與電容的變身

 在網(wǎng)上看到一篇對(duì)積分電路以及如何理解電容作用相當(dāng)不錯(cuò)的文章，可以作為定性研究積分電路的一種方法，轉(zhuǎn)載供學(xué)習(xí)參考。

將反相放大器中的反饋電阻，換作電容，便成為如圖一所示的積分放大器電路。對(duì)于電阻，貌似是比較實(shí)在的東西，電路輸出狀態(tài)可以一目了然，換作電容，由于充、放電的不確定性，電容又是個(gè)較“虛”的物件，其電路輸出狀態(tài)，就有點(diǎn)不易琢磨了。

圖一 積分電路的構(gòu)成及信號(hào)波形圖

想弄明白其輸出狀態(tài)，得先了解電容的脾性。電容基本的功能是充、放電，是個(gè)儲(chǔ)能元件。對(duì)變化的電壓敏感(反應(yīng)強(qiáng)烈)，對(duì)直流電遲鈍(甚至于無(wú)動(dòng)于衷)，有通交流隔直流的特性。對(duì)看待世界萬(wàn)物都是呈現(xiàn)電阻特性的人來(lái)說(shuō)，也可以將電容看成會(huì)變化的電阻，由此即可解開(kāi)積分電路的輸出之謎。

依據(jù)能量守恒定律，能量不能無(wú)緣無(wú)故地產(chǎn)生，也不能無(wú)緣無(wú)故地消失，由之導(dǎo)出電容兩端電壓不能突變的定理。充電瞬間，電容的兩極板之間尚未積累起電荷，故能維持兩端電壓為零的原狀態(tài)，但此瞬間充電電流為最大，可以等效為極小的電阻甚至導(dǎo)線(xiàn)，如果說(shuō)電容充電瞬間是短路的，也未嘗不可，比如變頻器主電路中，對(duì)回路電容要有限流充電措施，正是這個(gè)道理;電容充電期間，隨時(shí)間的推移，充電電壓逐漸升高，而充電電流逐漸減小，也可以認(rèn)為此時(shí)電容的等效電阻由最小往大處變化;電容充滿(mǎn)電以后，兩端電壓最高，但充電電流基本為零，此時(shí)電容等效為最大值電阻，對(duì)于直流電來(lái)說(shuō)，甚至可以等效于斷路，無(wú)窮大的電阻了。

總結(jié)以上，在電容充電過(guò)程中，有等效為最小電阻或?qū)Ь€(xiàn)、等效為由小變大的電阻、等效為最大電阻或斷路等三個(gè)狀態(tài)。正是電容的該變化特性，可以使積分放大器電路變身為如圖二所示的三種身份。

圖二 積分電路工作過(guò)程中的“三變身”

參見(jiàn)圖二。

1、電壓跟隨器。在輸入信號(hào)的t0(正向跳變)時(shí)刻，電容充電電流最大，等效電阻最小(或視為導(dǎo)線(xiàn))，該電路即刻變身為電壓跟隨器電路，由電路的虛地特性可知，輸出尚為0V。

2、反相放大器。在輸入信號(hào)的t0時(shí)刻之后平頂期間，電容處于較為平緩的充電過(guò)程，其等效RP經(jīng)歷小于R、等于R和大于R的三個(gè)階段，因而在放大過(guò)程中，在放大特性的作用下，其實(shí)又經(jīng)歷了反相衰減、反相、反相放大等三個(gè)小過(guò)程。而無(wú)論是衰減、反相還是反相放大，都說(shuō)明在此階段，積分電路其實(shí)是扮演著線(xiàn)性放大器的角色。

3、在輸入信號(hào)平項(xiàng)期間的后半段，電容的充電過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，充電電流為零，電容相當(dāng)于斷路，積分放大器由閉環(huán)放大到開(kāi)環(huán)比較狀態(tài)，電路進(jìn)而變身為電壓比較器。此際輸出值為負(fù)供電值。

都說(shuō)人會(huì)變臉，其實(shí)電路也能變身啊。在電容操控之下，放大器瞬間就變換了三種身份。能看穿積分放大器的這三種身份，積分放大器的“真身”就無(wú)從遁形了。放大器，其實(shí)是在“放大不離比較，比較不離放大”的圈子中跳著玩兒，這個(gè)，留等我以后再說(shuō)。