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電路創意/第 67a 組

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第 67a 組學生頁面
在實驗 4 中考慮運算放大器電路。

我們是來自計算機系統學院索菲亞理工大學的學生。我們的第 67 組分成兩個小組;我們構成第一個第 67a 組。以下是我們的姓名

維吉尼亞,安吉爾,弗拉基米爾...

(新增你的姓名並在此處放置一張照片)

實驗 1:透過Microlab研究無源電阻電路

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實驗 2:真正的歐姆實驗

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2008 年 3 月 18 日星期二,下午 4:45

實踐課的主題是:沿著電阻膜行走

在這節實踐課上,我們首先要做的是重現歐姆的實驗,因為歐姆定律是我們學習電子學的基礎。我們在電子學課程中實踐和理論課程的理念是發明一切,每一個元素(甚至電阻)。所以我們開始想象歐姆是如何做他著名的實驗,並發現了電流、電壓和電阻之間的基本關係。他在 19 世紀初做了這個實驗。這意味著他唯一能用作電源的是由亞歷山德羅·伏特創造的電池的前身。不幸的是,這個實驗失敗了,因為歐姆使用了一根電阻非常低的導線,因此電源被負載了。為了重現歐姆的實驗,我們使用了一根電阻絲。在實驗室裡,我們使用了電源(最大電流 2.5A,最大電壓 10V)、電壓表和電流表。所以我們開始了實驗。

實驗 N1: 我們正在研究的方案如圖 4 所示(在主模組中)。我們以這種方式移動電壓表:一根連線到地,另一根使用鱷魚夾作為滑塊沿著電阻膜行走。顯然,無論鱷魚夾在電阻膜上哪個位置,測得的電壓都是 10V。

實驗 N2: 我們正在研究的方案如圖 5 所示(在主模組中)。現在,我們觀察到電壓表的測量值發生了變化。我們可以看到變化是線性的。

因此,現在適合進行水力類比:分流管和開管。插圖顯示在主模組中。

我們沿著電阻膜滑動鱷魚夾。這相當於使用電位器。電位器實際上是一個運動到電壓的轉換器。根據電阻沿導線線性分佈的事實,我們可以得出結論,這種轉換器是線性的。所以出現了一個新想法:為什麼我們不停止移動鱷魚夾,把它留在電阻絲上的某個點,然後開始改變輸入電壓呢?

實驗 N3: 我們有兩個電源。其中一個(左邊的)是可變的,另一個是恆定的。我們在計算機螢幕上看到結果。你可以看到附加在主模組子主題中的插圖:V1 可變:左控電壓到電壓轉換器

實驗 N4: 現在,右邊的電源是可變的,左邊的電源是恆定的。我們在計算機螢幕上看到結果。你可以看到附加在主模組子主題中的插圖:V2 可變:右控電壓到電壓轉換器

實驗 N5: 現在,兩個電源都是可變的。我們在計算機螢幕上看到結果。你可以看到附加在主模組子主題中的插圖:V1 和 V2 同時可變:電阻加法器

正如我們所看到的,這是一個帶有係數的加法器

由於我們現在只看到了輸入電壓為正時的結果。現在我們改變極性。

我們可以看到電腦螢幕上有一個零電位點。這就是著名的虛擬地。這個點在水平軸上移動。所以又出現了一個新的問題——我們能把這個移動的點固定住嗎?答案是肯定的。有一種元件可以根據輸入電壓控制其輸出。這就是運算放大器。這個元件將虛擬地保持在 A 點。見圖示:一個無源電阻減法器,當然還有負反饋遊戲。

實驗 3:構建射極跟隨器

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2008 年 4 月 1 日,星期二,16.45 時

作者:安吉爾、弗吉尼亞和弗拉基米爾

構建負反饋跟隨器

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尋找負反饋現象的類比

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說話。我們開始解釋負反饋這個詞。我們首先互相問的是,現實生活中有沒有類似的現象。因此我們發現,我們可以將人類語言作為例子:你必須聽自己的聲音才能控制音量。這樣你才能適當地與周圍的人交流。周圍環境越吵,你的聲音就越大,反之亦然。這個基本理念粗略地解釋了負反饋的本質。

駕駛。負反饋理念的另一個例子可能是以下情況。假設你正在開車,並努力以 50 公里/小時的速度行駛。現在假設我們有一個當前狀態 X,並且想要達到另一個目標狀態 Y。為了完成此任務,我們應該監控其發展過程,並透過調整所有必要的引數以理想的方式控制它。你在狀態 X,並且想要達到狀態 Y。但是你需要什麼呢?

將類比推廣到一個方框圖

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你首先需要的是能量。它是必要的,但還不夠。你還需要視覺化你的速度才能控制它。換句話說,你需要一個調節器。

但是調節器在做什麼呢?它比較目標狀態當前狀態之間的差異;然後,它盡力消除差異。當這個差異等於零時,我們就達到了平衡——這表明目標狀態已經實現。

構建一個電子跟隨器

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最簡單的調節器被稱為跟隨器。現在我們必須考慮如何實現一個跟隨器。

簡單的導線是跟隨器嗎?

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一個明顯的電子跟隨器例子是……一根簡單的導線(?!)。這個解決方案很簡單:如果你想要 B 點的電位跟隨 A 點的電位,只需用一根導線將它們連線起來。但這條導線是完美的跟隨器嗎?答案是否定的。我們將透過下一個例子說明為什麼。

只有在導線末端沒有連線負載時,導線才是完美的跟隨器。

正如你所知,導線有其自身的電阻。現在讓我們像第二張圖所示的那樣,連線一個電阻(1 歐姆)、我們的導線(1 歐姆)和一個電壓源(10 伏)。在測量輸出電壓後,我們發現它由於導線的內阻導致的電壓降而降低了。原因很清楚——電路中流動的電流。

在白板上構建射極跟隨器

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因此我們決定使用另一個(這次更“完美”)的調節器——射極跟隨器。在已經有了根據其環境變化不斷調節和調整所需值的理念之後,我們繼續使用一個帶電晶體的實際方案。這裡的電晶體充當上述負反饋跟隨器的調節元件。其本質是它“觀察” A 點的電位,並改變 B 點的電位(透過改變自身的電阻),以便保持它們之間的差異幾乎為零。但是讓我們描述一下我們的實際實驗室練習。

將強大的理念付諸實踐

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(我們的實驗室練習是如何進行的)

電晶體充當調節元件。

準備。為了向我們揭示無處不在的電晶體的“秘密”,我們的老師西里爾·梅奇科夫為我們提供了構建自己的測試電路並觀察其行為的機會。作為通常喜歡拆卸東西的好奇學生,我們渴望“發明”自己的射極跟隨器,並對所謂的負反饋有一個預先的概念。我們已經知道電晶體的一些基本應用,因為我們已經學習了數位電路,但我們大多數人都缺乏實際經驗。認識到這一點後,梅奇科夫教授首先簡要概述了實驗室課程的理念,然後給我們一把烙鐵、一塊測試板,以及進行裝置研究所需的所有裝置。舊的基於蘋果 II 的個人電腦被證明是實驗的理想選擇——它不僅用作電源:),而且與 MicroLab 系統一起,能夠“觀察”我們的方案並繪製即時電壓圖。手持這種強大的“武器”,我們感覺自己就像真正的發明家!

射極電壓跟隨基極電壓,並偏移了 VBE

研究。當米羅斯拉夫(一位同事)開啟電路時,一些女孩感到害怕,但幸運的是沒有爆炸;)一切都處於控制之中。將我們新構建的射極跟隨器連線到原型板後,我們開始透過逐漸改變其電源(範圍為 -10 到 10 伏)進行研究。從正值區域的圖片中可以看出,電晶體的行為與理論一致。發射極-基極結的電壓降始終“努力”保持不變——正好是 0.7 伏。根據基爾霍夫定律,輸出發射極的電位正如我們所預期的那樣——輸入電壓減去電壓降。類似地,在負輸入範圍內也觀察到了相同的線性依賴性。這種情況下的實驗室結果在下面的圖片中顯示出來。

不完美的電壓表“拉”高了電晶體的發射極。

問題。然而,出乎意料的是,我們建議透過將一個老式模擬電壓表並聯到數字 VOM 來再次檢查電路。然後,米羅斯拉夫將一根鱷魚夾連線到發射極,另一根連線到電路板的地線(注意,發射極-集電極電源是雙極性的)。起初,螢幕上的新結果看起來很奇怪——在負區域,有一個電位恆定的部分。某些東西使發射極基極結反向偏置。梅奇科夫教授笑著意識到電壓圖中的“淘氣侵入者”,但希望我們找出原因。我們沒有猶豫太久,就用一個 3 美元的中國電壓表替換了老式電壓表。

瞧!最終發現了“謎團”的關鍵——導致電晶體關閉的原因是電壓表的內阻。對於老式電磁裝置,它大約是 20 千歐姆。這種內阻成為電流流過其中一個電源、我們的負載和電壓表的根本原因。這種新出現的電流使輸出端的電位保持不變,當基極電源足夠低時(見圖)。我們意識到 npn 電晶體只能“提供”電流;它不能“吸收”電流。

由於基極-發射極結的反向偏置,輸出曲線出現了一個削波。
由於基極-發射極結的反向偏置,輸出曲線出現了一個削波。

強化問題。 發現這種效應後,我們決定用更小的電阻 (100 歐姆) 替換電壓表,以模擬反向偏置的基極-發射極結的電壓擊穿。在這種情況下,電晶體就像一個穩壓二極體,在一定範圍內穩定輸出電壓。最後一張圖片顯示了基於 PC 的模擬再現。

當我們對反向偏置的程度過大時,發生了齊納電壓擊穿...

實驗室練習的最終結論是,在某些情況下,簡單的發射極跟隨器可能並不那麼簡單和可預測。透過觀察電晶體行為的變化,我們積累了一些非常寶貴的經驗——它最初充當發射極跟隨器,然後變成了齊納二極體,最後變成了電壓控制開關。這個小電晶體就像一個技藝精湛的魔術師,但它用電流玩著把戲。電子學真是太迷人了,不是嗎!

Angel、Virginia 和 Vladimir,感謝你們的參與!你們的材料很棒;它太迷人、引人入勝,也很有趣!能加入你們的團隊並盡我所能完善你們的工作,我感到非常榮幸。再次感謝!Circuit-fantasist (討論) 2008 年 4 月 14 日 17:57(UTC)

實驗 4:具有串聯負反饋的運算放大器電路

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(將不完美的發射極跟隨器轉換成完美的運算放大器跟隨器)

作者:AngelVirginia 的幫助下

Angel

還記得我們上個練習的方案嗎?我們用一個單電晶體作為發射極跟隨器,以此方式說明了負反饋的概念。我們還注意到,與最原始的電壓跟隨器(一根簡單的電線)相比,我們的裝置要完美得多。然而,當我們對我們聽話的電晶體進行測試時,我們發現它有一種持續的“飢餓感”——從輸入端汲取能量,從而導致 0.7 伏的電壓降。對於實驗室實驗的目的來說,這是可以接受的,但對於在真實、極其精確的裝置中實現這種方案,你會怎麼說?當然,這取決於應用場景,但有一點是肯定的——我們的發射極跟隨器並不“理想”,因為它會干擾輸入端。

如果我們環顧現實世界,我們會發現一切事物都遵循這些自然規律。例如,如果我們要完成一項具體的任務,我們需要與之成比例的能量。這種能量並不是“免費”獲得的,而是之前活動的積累結果,而這些活動本身又是由於他人的努力而實現的,等等。電子學也遵循同樣的規律。也許,在我們的背景下,每個人的活動和方案技術的根本哲學原理是將某種輸入能量(通常由電量表示)轉換為所需的輸出能量。透過這種方式,我們能夠以各種方式在電路中表示、處理和儲存資訊。但是,我們應該始終注意電路中的“損失”,因為每個元件都需要足夠的資源才能正常工作。

在這些開場白之後,你可能會問以下問題。什麼是理想方案,它真的存在嗎?有些人會認為,這種方案實際上是不存在的,因為它們無法在實踐中構建。另一些人會認為,“理想”一詞有點虛幻——理想的事物實際上是我們自己對事物在最佳條件下如何運作的想法。還有些人可能會將理想元件視為相當理論性的——是數學和科學的抽象。事實上,這三個不同的群體在一定程度上都是正確的。絕對理想的元件可能永遠不會出現,但你不覺得我們對開發更高效的工具的渴望更重要嗎?難道這種渴望不是推動人類創造力的各個方面的主要驅動力嗎?這些是我們自己在專業計算機電子學第四次練習中問自己的問題。這種討論是必要的,因為我們必須研究方案技術演進的下一步——它的尊貴地位——運算放大器。

Mechkov 教授透過進一步發展上一次會議的主題向我們提出了挑戰。他的主要目標是為我們介紹這個神秘而強大的電子元件做好準備。我們已經理解了負反饋的作用,因此我們認為現在是時候學習運算放大器方案的原理及其實際應用了。起初,我們有點不知所措,因為我們已經在其他學科中以完整電路的形式遇到了運算放大器。問題是,沒有人向我們解釋過這些電路背後的理念。僅僅記住一些事實或方框圖對我們未來的工程師來說並沒有什麼用處。Mechkov 教授非常清楚這一點,因此為了讓我們更熟悉這個主題,他培養了我們的想象力,為我們提供了對運算放大器行為和優勢的簡單而有效的描述。簡而言之,運算放大器可以比作一個強壯而聽話的舉重運動員。想象一下,你必須在家裡移動一些非常重的傢俱,但不幸的是你沒有足夠的力氣。最重要的是,你必須非常小心地執行這項任務,以免刮傷木地板。突然,你記起你可以打電話給你的一個朋友幫忙——他是一位專業的、訓練有素的舉重運動員。五分鐘後,他來了,多虧了你,他及時完成了任務。你很高興,併為他付了一杯酒以表示感謝。當然,這是一個非常基本和廣泛的說明,但實際上它很好地體現了運算放大器的“能力”。因此,帶著這個比喻的想法,我們可以繼續對運算放大器進行正式描述。它指的是一類具有兩個輸入端和一個單端輸出的高增益直流耦合放大器。它的一些最顯著特點是其極高的增益——通常為 200 000 甚至一百萬,其極高的輸入阻抗和低的輸出阻抗,最後但並非最不重要的是需要一個分立電源(例如 +/-12 伏)。我們不會詳細介紹內部結構,因為這不是我們的目標。我們只會提到,典型的運算放大器是由以特定方式連線的多個電阻器和電晶體組成的。

因此,為了實踐,我們應該知道,運算放大器能夠使用兩種型別的輸入訊號——單端或差分訊號。與電晶體類似,運算放大器實際上並沒有放大任何東西——它所做的就是根據輸入的變化精確地控制其輸出,從而增強其自身電源的輸出。運算放大器需要外部能量才能實現這種技巧。請記住,我們在文章開頭概述的原理始終有效!值得一提的是,“放大”這個詞並不是字面意思,它可能是由於運算放大器功能的整體效果而出現的。這個想法同樣簡單但天才!我們使用相對較弱的訊號或電量來控制更強大的電路。但是,這一次,與電晶體不同,我們不會直接從輸入端汲取能量,而是使用外部雙極電源。透過這種方式,運算放大器能夠響應輸入端的變化並非常精確地調整其輸出。

運算放大器作為比較器。

比較器

現在讓我們回顧一下練習。帶著上述想法,Mechkov 教授描述了運算放大器的第一個也是可能最合乎邏輯的應用——作為比較器。我們討論的方案在下圖中顯示。

我們觀察到,非反相輸入端的電位低於反相輸入端的電位。在這種情況下,我們說輸入端是差分的。透過模擬判斷,我們意識到,即使 V1 和 V2 之間存在很小的差異,輸出也會被驅動到 +VCC 或 -VCC,具體取決於輸入的大小。實際上,輸出電壓被確定為電壓差與所謂的開環增益的乘積。這種依賴關係在以下圖中說明。

運算放大器作為比較器。

總的來說,該方案的主要缺點可能是,由於運算放大器的靈敏度很高,其工作範圍非常窄。在某些情況下,輸出保持不變——這意味著運算放大器已達到其上限或下限飽和閾值。

運算放大器作為電壓跟隨器。

電壓跟隨器

接下來,思考如何“干擾”運算放大器以構建電壓跟隨器,我們想到了負反饋的概念。我們所做的就是將部分輸出訊號反饋到輸入端,但帶有負號。同樣是那個眾所周知的原理,但這一次以幾乎完美的(或者讓我們說,目前已知的最理想的:) 方式實現了。透過將輸出端連線到負輸入端,並將一些電位施加到正輸入端,我們設法“發明”了一個完美無瑕的電壓跟隨器。這裡有趣的是,運算放大器始終努力保持輸入電位之間的差異為零——這就是所謂的虛擬地。當然,只有在施加某種反饋的情況下才會發生這種情況。我們還發現,輸入端幾乎不汲取電流——這是運算放大器極高的輸入阻抗的結果。

該方案和模擬如下所示。請注意,這種型別的電壓跟隨器的增益等於 1。

運算放大器作為電壓跟隨器。
運算放大器作為非反相放大器。

非反相放大器

完成這些任務後,我們決定增加負反饋方案的增益。為此,我們在反饋電路中放置了一個電阻,試圖以這樣一種方式欺騙我們謙遜的運算放大器,讓它將輸出端的電位提升兩倍甚至更多。這種情況說明了所謂的補償機制,相應的器件被稱為非反相放大器。Vout/Vin = 1 + R1/R2

運算放大器作為非反相放大器。
施密特觸發器。

正反饋

最後但並非最不重要的是,模擬了臭名昭著的施密特觸發器。到目前為止,我們一直在討論具有負反饋的方案,因此我們決定看看如果我們有正反饋會發生什麼。請看下圖。

施密特觸發器開啟。
施密特觸發器關閉。

讓我們將運算放大器所能產生的最高電壓標記為 ±Vmax。負輸入端連線到地,考慮到運算放大器保持其輸入端之間的電位差為零,我們可以得出結論,A 點的電位為零,即 Va=0V。

I1 = ±(Vin – Va) /R1 = ±Vin/R1

(取決於輸入電壓的極性)

I2 =± (Vout – Va)/R2= ±Vout/R2

(取決於輸出電壓的極性)

現在假設這個電路目前處於高電平 +Vmax。

因此 I2=Vmax/R2。正如我們之前提到的,運算放大器最簡單的作用是作為比較器。所以如果我們取一個正極性的輸入電壓,那麼 I1 = Vin/R1。同樣,由於運算放大器輸入端幾乎不消耗電流,我們可以說 I1=-I2。然後 Vmax/R2=- I1 = Vin/R1 <=> Vin= -Vmax.R1/R2 - 因此 Vin 應該降到低於 −(R1/R2)Vmax,才能使輸出切換。一旦比較器輸出切換到 −VS,切換回高電平的閾值將變為 +(R1/R2)VS。在這些初步說明之後,我們可以從模擬中觀察到,這是一個具有遲滯現象的電路。

這種遲滯現象有什麼好處?為什麼運算放大器被稱為觸發器?該器件被稱為觸發器,因為它保持其輸出不變,直到輸入變化足以觸發變化。這就是我們說具有正反饋的運算放大器具有“記憶”的原因。

現在讓我們關注遲滯現象:它的主要優點是它有兩個限制閾值。如果我們有一個只有一個閾值的器件,並且輸入訊號存在噪聲,則該器件可能會以非常不希望的方式改變其輸出,當然這些變化可能非常快。相反,如果我們有一個施密特觸發器,由於其“改進”的特性,該方案將更加可靠,並且對任何輸入偏差具有更好的抵抗能力。

結語

畢竟,運算放大器不像它們的名字那樣可怕,對吧!事實上,這些小小的“聰明人”非常通用且功能強大,在實際電子產品領域的許多領域都得到了廣泛應用。感謝 Mechkov 教授,我們已經成功地找到了通往運算放大器“叢林”的道路,並在本頁面上展示了我們的“發現”。我們希望我們簡短的描述能幫助您更好地理解這個主題。如果您有任何想法或建議,我們很樂意讓您,我們的讀者,參與討論!

AngelVirginia,你們的文章太精彩了,相信我,它感動得我哭了!如果每個小組裡都有一兩個像你們一樣的學生,我會非常高興!我有一個想法:你們以後可以去其他九個實驗室,把你們的經驗傳授給你們的同事嗎?:) 你們會幫助我進行實驗室 5 嗎?:) 順便說一句,我想對你們的工作做一些評價,但我不敢去觸碰它:) 最好問候! Circuit-fantasist (talk) 17:23, 21 April 2008 (UTC)

資源

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運算放大器 是著名的託尼·庫帕爾德特撰寫的一篇優秀材料。
運算放大器
差分輸入和單端輸入
實驗室:小組 65a小組 66a
具有負反饋的運算放大器

實驗室 5A:構建運算放大器反相積分器(學生版本:)

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在我們的實驗室課程中,我們已經使用被動“調皮”元件(例如電阻器)和主動元件(電晶體和運算放大器)進行了實驗,這些元件能夠根據輸入訊號的變化來控制其輸出。在瞭解了每組元件的作用之後,只有在我們檢查它們在更復雜的時間依賴方案中的行為時,我們才能最大程度地“利用”它們的潛力。為什麼是時間依賴的?- 你可能會問?答案很簡單,因為時間的表示作為一個變數,正是我們需要的,與輸入和輸出值相結合,才能模擬或檢查各種現實生活中發生的現象。因此,透過使用我們的電子積木“玩耍”,我們可以構建無數種有用的電路。在第五次實驗中,我們透過構建一個反相運算放大器積分器,發展了上述關於時間敏感方案的概念。這次實驗的“主要角色”是來自之前實驗的運算放大器,以及一個新的“演員” - 電容器 - 它充當電流驅動的電壓積分器。正如其名稱所暗示的那樣,典型積分器的作用是作為特定值的累加器。這樣一來,根據累積的物理本質,我們就可以測量時間間隔,甚至更精確地處理時間。如下所示,Mechkov 教授描述中的單個被動電壓積分器並不完美,主要是因為電容器上的非線性壓降會干擾輸入源。事實上,這是所有型別被動方案的典型“缺點” - 它們的特性會影響輸入。但是,根據應用情況,這種影響可能是有益的或不希望的。這裡更重要的是要掌握這個概念,並嘗試完善它的實際實現。遵循之前兩次實驗室練習的原則,我們想到將一個電容器連線到負反饋電路中。這一次,運算放大器以一種非傳統的方式被“欺騙” - 負輸入的變化本身是指數級的,但由於運算放大器的極高增益,輸出以線性方式變化(當然不是無限的)。觀察到這種效應,我們得出結論,我們可以很容易地構建一個通用測量裝置,讓我們能夠探索甚至改進各種電子元件的行為 - 二極體、電阻器等。我們只需要一個合適的電源、一個運算放大器和一點想象力。純粹的數學公式或無聊的現成電路無法做到這一點 ;)

實驗室 5B:“發明”運算放大器反相積分器(教師版本:)

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電流到電壓 C 積分器

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一個普通的電容器可以充當理想的電流到電壓積分器。

最基本的電積分器是什麼?當然,它就是普通的電容器。所以,如果我們用一個恆定電流源 I 驅動電容器 C,它就會充當一個理想的電流到電壓積分器,具有電流輸入 IIN 和電壓輸出 VOUT = VC。請注意,輸出電壓會隨時間線性變化。

構建運算放大器反相積分器 - 第 1 步
使用理想電流源保持恆定電流

電壓到電壓 RC 積分器

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V 到 I 轉換器 + I 到 V 積分器 = V 到 V 積分器。

只是,我們通常需要一個具有電壓輸入和電壓輸出的積分器(電壓到電壓積分器)。為此,我們可以構建一個複合電壓積分器,只需在積分器之前連線一個電壓到電流轉換器(電阻器)

V 到 I 轉換器 + I 到 V 積分器 = V 到 V 積分器

只是,這裡出現了一個問題 - 電容器 C 上的壓降 VC 會“消耗”輸入電壓,從而降低輸入電流。結果,輸出電壓會隨著時間的推移呈指數變化。

構建運算放大器反相積分器 - 第 2 步
透過降低負載來保持恆定電流

使用 Microlab 研究被動 RC 積分器。
使用 Microlab 研究被動 RC 積分器(波形)。

主動 RC 積分器

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一個補救措施:連線一個額外的“輔助”電壓源,它會向輸入電壓新增與它在電容器上損失的電壓一樣多的電壓。

請記住,我們在現實生活中遇到障礙時會怎麼做 - 我們會用一個等效的有用的“抗干擾”來消除它。遵循這個方案,我們可以用一個“反電壓” -VC 來消除“有害”電壓 VC。這意味著連線一個額外的可變電壓源,並使其電壓等於 -VC。結果,“有害”電壓 VC 消失,上面的點變成了虛擬地!複合電流源 VIN-R 被“愚弄”了:它沒有“意識到”連線了一個電容器;它“認為”其輸出被短路了。

構建運算放大器反相積分器 - 第 1 步
透過新增額外的電壓來保持恆定電流

只是,從哪裡取輸出呢?

但是從哪裡取輸出呢?我們有三種可能性。

首先,我們可以使用舊的輸出;但我們已經破壞了這個電壓!

其次,我們可以使用“原始”電壓作為輸出。這是一種可能的,但很糟糕的解決方案,因為將負載連線到電容器上存在兩個原因:負載必須具有差分輸出;負載會與電容器並聯,從而影響電流。

最後,我們可以使用“複製”電壓作為輸出!真是一個好主意!首先,負載將連線到公共接地;其次,它將從補充電源而不是從輸入電源中消耗能量!

構建運算放大器反相積分器 - 轉到步驟 3

運算放大器反相 RC 積分器

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最後,我們只需要用一個真實的電源來替換可變電壓源。現在,運算放大器對電源的電壓進行劑量,從而產生一個補償電壓 -VC。換句話說,運算放大器和穩壓電池的組合充當一個可變電壓源。

在運算放大器反相積分電路中,運放會向輸入電壓源新增補償電壓 -VC

運放“觀察”虛擬地電位(兩個電壓之間的差值),並立即改變其輸出電壓,以使該點始終保持在零伏。透過這樣做,運放透過複製並將其新增到輸入源的電壓來補償電容器上的“有害”壓降;這樣做,運放“幫助”輸入源。

“不完美”的電容器已經變成了理想的無限電容器。

現在該得出結論了。我們到底做了什麼?它是如何工作的?最終結果是什麼?

答案令人驚歎:我們製造了一個具有無限電容的“無底”電容器。從輸入源的角度來看,這個“理想”的電容器就像……一根電線……?!你對此推測有什麼看法?它總是正確的嗎?

我們已經是真正的魔術師,因為我們可以將任何不完美的元件轉換為近乎理想的元件!在這個實驗中,我們將“不完美”的電容器轉變為完美的無限電容器,儘管電流持續流過它,但它沒有任何壓降!但同樣成功的是,我們可以製造理想的二極體、零電阻等等……為此,我們只需要將一個可變電池並聯到不完美的元件上,以補償元件內部的損耗。記住:所有運算放大器反相電路都利用了這種巧妙的技巧。 Circuit-fantasist (talk) 16:50, 6 May 2008 (UTC)

如何透過並聯負反饋製作完美元件
構建運算放大器反相積分器 - 轉到步驟 4

資源

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我們如何構建運算放大器 RC 積分器? 顯示了一個可靠的四步構建“場景”。
構建運算放大器反相積分器 是一個互動式多媒體 Flash 微教程,它分四步構建電路。


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