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电路创意/如何制作完美的RC积分器

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重新发明运算放大器反相积分器

电路创意:在电容上损失的电压上添加与输入电压一样多的电压。

电流到电压C积分器

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一个简单的电容可以作为理想的电流到电压积分器。

什么是最基本的电积分器?当然,就是简单的电容。因此,如果我们用恒定电流源I驱动电容C,它将作为一个理想的电流到电压积分器,电流输入为IIN,电压输出为VOUT = VC。注意,输出电压随时间线性变化。

制作运算放大器反相积分器 - 第一步
使用理想电流源保持恒定电流

电压到电压RC积分器

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V到I转换器 + I到V积分器 = V到V积分器。

但是,我们通常需要一个具有电压输入和电压输出的积分器(电压到电压积分器)。为此,我们可以通过在积分器之前连接一个电压到电流转换器(电阻)来构建一个复合电压积分器。

V到I转换器 + I到V积分器 = V到V积分器

但是,这里出现了一个问题 - 电容C上的电压降VC“消耗”了输入电压,从而降低了输入电流。结果,输出电压随时间呈指数变化。

制作运算放大器反相积分器 - 第二步
通过降低负载来保持恒定电流

通过Microlab研究无源RC积分器。
通过Microlab研究无源RC积分器(波形)。

有源RC积分器

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一个补救措施:连接一个额外的“辅助”电压源,该电压源向输入电压添加与它在电容上损失的电压一样多的电压。

记住我们在现实生活中遇到障碍时会做什么 - 我们用等效的有用“抗扰”来消除它。遵循这个方法,我们可以用一个“抗电压” -VC来消除“有害”电压VC。这意味着要连接一个额外的可变电压源,并使其电压等于-VC。结果,“有害”电压VC消失,上端成为虚拟地!复合电流源VIN,R被“欺骗”了:它“不明白”连接了电容;它“认为”它的输出短路了。

制作运算放大器反相积分器 - 第一步
通过添加额外的电压来保持恒定电流

但是,从哪里获取输出呢?

但从哪里获取输出呢?我们有三种可能性。

首先,我们可以使用旧的输出;但我们已经破坏了这个电压!

其次,我们可以使用“原始”电压作为输出。将负载连接到电容上是可行的,但这是一个糟糕的解决方案,原因有两个:负载必须具有差分输出;负载将并联电容,从而影响电流。

最后,我们可以使用“复制”电压作为输出!真是一个好主意!首先,负载将连接到公共地;其次,它将消耗来自辅助电源的能量,而不是来自输入电源的能量!

制作运算放大器反相积分器 - 进入第三步

运算放大器反相RC积分器

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最后,我们只需要用一个真实的电源来代替可变电压源。现在,运算放大器对电源的电压进行“调整”,从而产生一个补偿电压 -VC。换句话说,运算放大器和稳压电池的组合充当一个可变电压源。

在运算放大器反相积分器的电路中,运算放大器向输入电压源添加补偿电压-VC

运算放大器“观察”虚拟地电位(两个电压之间的差值),并立即改变其输出电压,以使该点始终保持在零伏。通过这样做,运算放大器通过复制并将其添加到输入源的电压来补偿电容上的“有害”电压降;通过这样做,运算放大器“帮助”了输入源。

如何制作无限大的电容

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“不完美”的电容已经变成了一个理想的无限电容。

现在该得出结论了。我们到底在这里做了什么?它如何运作?最终结果是什么?

答案令人惊叹:我们制作了一个具有无限电容的“无底”电容。从输入源的角度来看,这个“理想”的电容就像……一根导线……?你对此推测有什么想法?它总是正确的吗?

我们已经是真正的魔术师,因为我们可以将任何不完美的元件转换为几乎完美的元件!在这个实验中,我们将“不完美”的电容转化成了一个完美的无限电容,尽管电流持续流过它,但它没有任何电压降!但同样成功地,我们可以制作理想的二极管、零电阻等等……为此,我们只需要将一个可变电池并联到不完美的元件上,以补偿元件内部的损耗。记住:所有运算放大器反相电路都利用了这个巧妙的技巧。

如何通过并联负反馈制作完美的元件
制作运算放大器反相积分器 - 进入第四步

我们如何构建一个运算放大器RC积分器?展示了一个可靠的四步构建“方案”。
制作运算放大器反相积分器是一个交互式多媒体flash迷你教程,它分四步构建电路。


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