引言

　　集成運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中，集成運(yùn)算放大器（Integrated Operational Amplifier）簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放，是由多級(jí)直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它的增益高（可達(dá)60~180dB），輸入電阻大（幾十千歐至百萬(wàn)兆歐），輸出電阻低（幾十歐），共模抑制比高（60~170dB），失調(diào)與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時(shí)輸出電壓亦為零的特點(diǎn)，適用于正，負(fù)兩種極性信號(hào)的輸入和輸出。   模擬集成電路一般是由一塊厚約0.2~0.25mm的P型硅片制成，這種硅片是集成電路的基片。基片上可以做出包含有數(shù)十個(gè)或更多的BJT或FET、電阻和連接導(dǎo)線的電路。

　　1 積分器和濾波器工作原理

　　1.1 積分器工作原理

　　積分器的基本電路和實(shí)際應(yīng)用電路如圖1（a），（b）所示。積分器的基本電路輸入/輸出電壓關(guān)系如下：

　　在實(shí)際應(yīng)用中，積分器的反饋電容C與電阻RF并聯(lián)，其輸入/輸出電壓關(guān)系如下：

　　當(dāng)輸入的工頻信號(hào)幅值為5 V時(shí)，RF和R1的固定比值分別取為20 kΩ和10 kΩ。采用Proteus仿真軟件對(duì)電容取值不同的輸入/輸出進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如表1和圖2所示。

　　可見，當(dāng)輸入頻率大于f0時(shí)，電路為積分器；當(dāng)輸入頻率小于f0時(shí)，電路為反相器。低頻電壓增益為：

　　1.2 濾波器快速設(shè)計(jì)

　　濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出?；镜臑V波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L(zhǎng)型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，通用者為L(zhǎng)型及π型兩種。

　　無(wú)限增益多路反饋二階低通濾波器電路如圖3所示。

　　設(shè)計(jì)步驟如下：

　?。?）根據(jù)截止頻率，從表2中選定一個(gè)電容C的標(biāo)稱值，使其滿足下式：

　　（2）從表3查出與AV對(duì)應(yīng)的電容值及K=1時(shí)的電阻值，將電阻值乘以K后，得到電阻的設(shè)計(jì)值。濾波器的基本性能參數(shù)為Q=0.707,AV=-R2/R1.

　　2 電壓反饋取樣電路設(shè)計(jì)

　　2.1 濾波器移相補(bǔ)償

　　濾波器是改善電能質(zhì)量的有效措施，但相移計(jì)算起來較為繁瑣，如式（5）所示：

　　為了克服不足，通過軟件仿真可快速得出相移大小，在需要同步的電路中為移相電路提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。圖3的輸入/輸出電壓曲線如圖4所示。其中輸入電壓幅值為5 V,頻率為50 Hz.

　　由圖4可見，相移大小為，得出θ=122°。輸出電壓也可由理論近似計(jì)算相等，而得到的值為4.56 V.

　　2.2 電壓反饋取樣電路

　　電壓反饋取樣電路由移相、全波精密整流和積分放大電路三部分組成，如圖5所示。移相電路用以將輸出側(cè)的交流電壓形成兩路正交信號(hào)。將全波精密整流設(shè)計(jì)成輸入/輸出間的比例為1.積分放大電路對(duì)合成后的脈動(dòng)直流信號(hào)作平滑放大處理。

　　以對(duì)輸入幅值2 V的工頻電壓信號(hào)取樣為例，經(jīng)過移相和全波精密整流后，作為積分放大器的輸入信號(hào)，是兩路為2|sinωt|和2|cosωt|的正交信號(hào)，合成為uf=2（|sinωt|+|cosωt|）作脈動(dòng)變化的直流信號(hào)，因?yàn)?≤（|sinωt|+|cosωt|）≤，考慮到RF/R1的反相放大作用，積分放大電路的輸出信號(hào)uf在0~5.66 V之間變化，圖6給出電容分別取15.9μF和1.59μF時(shí)的輸出電壓曲線。當(dāng)電容為15.9μF時(shí)時(shí)間常數(shù)τ=RC=0.318 s,經(jīng)過5τ=1.59 s到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電容為1.59μF時(shí)的時(shí)間常數(shù)τ=RC=0.031 8 s,經(jīng)過5τ=0.159 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并與圖中曲線衰減規(guī)律一致。一般集成電路器件的輸入電壓在10 V以內(nèi)，通過理論計(jì)算獲得脈動(dòng)直流信號(hào)的積分輸出變化規(guī)律較為困難，可以通過軟件仿真的方法得出輸出值的變化規(guī)律，在積分放大器的輸入信號(hào)中加以基準(zhǔn)源，即可限制輸出信號(hào)的幅值。對(duì)于圖5可取基準(zhǔn)源信號(hào)為-4.5 V.終可獲得正紋波很小的反應(yīng)輸入電壓變化的直流信號(hào)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)濾波器和積分器的工作原理進(jìn)行了說明，指出在實(shí)踐設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)運(yùn)算放大器外圍器件較多，輸入/輸出關(guān)系需要考慮，而理論計(jì)算繁瑣或較為困難時(shí)，采用軟件仿真是準(zhǔn)確、有效、便捷的輔助手段。以濾波器的相移和電壓反饋取樣電路為例，詳細(xì)說明了采用軟件仿真驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過程，可以使用該法設(shè)計(jì)其他電子電路，本文設(shè)計(jì)的電壓反饋取樣電路極具參考價(jià)值。