第7章-集成运算放大器-7.10积分运算电路

如题所述


7.10积分运算电路:深度解析与实际应用




积分运算电路,是电子电路中的重要组成部分,它利用运放的特性实现信号的积分处理。</在本章中,我们将深入探讨其电路结构、输入输出关系,以及在控制系统中的应用。




电路结构与关系公式</


积分运算电路与反相比例运算电路相似,不同之处在于反向比例电路中的反馈电阻被一个电容所取代。当电流通过输入电阻流入运放,通过分析流入反相和同相输入端的电流以及电容两端的电压,我们可以推导出输入信号与输出信号的紧密联系。




假设电流 , , , ,反相输入端对地电压为 ,同相输入端对地电压为 。运用运放的“虚断”和“虚短”原理,我们得到:



    ,即
    ,得
    ,于是
    ,进一步得出
    对于运放的反相输入,有 ,则

整合这些关系,我们得到输出信号与输入信号积分的关系式: 。</这里, 是时间常数,负号表示输出与输入信号存在反相积分关系。




积分曲线与阶跃响应</


当我们向积分电路输入阶跃信号时,输出信号与输入成比例递减,且在输出达到负饱和电压时停止变化。例如,当输入为恒定值 时,输出信号会随时间按照特定的规律减小。




实际应用示例:比例积分调节器(PI调节器)</


在自动控制系统中,如图所示的比例积分调节器,通过负反馈机制,结合比例和积分作用,确保系统的稳定性和控制精度。电路分析如下:



    “虚短”原则得出:
    “虚断”原则得出:
    电阻 中的电流 和输入信号有关,因此:
    运放反相端与输出端的电压差等于 与 的电压之和,得到:
    利用电容电压与电流的关系,我们有: ,将上式代入,得到输出信号与输入信号的复杂关系:

这个电路因其兼具比例与积分特性,故称为“比例积分调节器”或“PI调节器”,在工业自动化等领域中广泛应用。


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