2006年，鲍勃·皮斯(Bob Pease)收到了一封工程师的电子邮件，他的积分器电路出了问题。放大器通常被称为运算放大器，因为它们最初被用作运算放大器。这些放大器在模拟计算机中进行数学运算(图1)．
集成是一个功能，你可以创建一个电容到一个放大器的反馈回路。“整合”这个词本身就意味着你在把一个信号放在一起或加起来。实际上，积分器的输出电压等于输入信号的面积(图2)．
为了使放大器对输入信号进行积分，你在反馈回路中放入一个电容(图3)．你选择的输入电阻将电压转换成电流。电流在电容器上变成电荷。这个电荷产生了电压。电阻上的固定电压产生恒定电流。恒流进入电容器会产生一个线性斜坡。
记住，运放的负引脚在虚地，因为正引脚接地。这意味着输入电阻的直流电压不会改变，无论输出是什么-至少直到放大器输出击中电源轨道。所以，一个恒定的输入电压就会不断地给电容器充电，直到输出到达电源轨道。
你的积分器电路需要在没有直流分量的信号上工作。或者，如果有直流元件，你必须周期性地通过短路复位电容，也许用JFET。这里有个坏消息。总有一个直流分量。放大器不是完美的，所以总是有一个小的偏置电流出来或进入输入引脚。
|
|
下载本文的。pdf格式 这种文件类型包括高分辨率的图形和原理图(如适用)。 |
请救援
这就是编写Bob Pease的工程师所面临的问题。他的积分器一直在漂移，因为他没有意识到反馈电容无法区分输入信号和输入引脚漏出的电流。
这位工程师给皮斯的邮件标题是“一个小问题”。然而偏置电流可能是一个非常大的问题，特别是在低电平或静电计应用中，你试图测量电荷。他写道:
“亲爱的鲍勃;我一直工作在一个电荷放大器电路使用LMC660运放为一个恒定的电荷输入，但一直无法得到一个稳定的输出。该恒充电源是通过将一顶盖与一节电池串联而成的。我的设计是在输入端有一个积分器，反馈路径上只有一个电容(没有任何并联电阻，除了电容的内阻)。”
鲍勃非常有耐心，因为他没有示意图或更好的描述。他问了几个问题，然后解释说问题是由放大器偏置电流引起的:
“这个C值多少?”它是你买的，还是你自己制造的，还是你固有的?”皮斯需要的信息几乎总是比读者提供的要多。他反复强调:“这个C值多少钱?这个“电荷放大器”必须在适当的时候重新设置。否则它会漂移。世界上没有任何放大器可以做到这一点，在直流基础上，没有任何复位。任何时候你要求这个电荷放大器的输出不漂移，你对你的系统提出了不合理的要求。你的信号的频率特性是什么?它有多大? If you want to see the dc, you can’t do it. Unless you cheat and ‘reset’ the whole system. That would be a ‘sampled data’ system. That is OK. If you want to see the ac component of the ‘battery,’ you can do that. But you have to engineer the ac coupling.
“如果你想看到‘电池’的直流组件，你必须断开电池与电容的连接，并将电容短接接地。然后重新设置反馈上限;然后重启。[你这样做]是在抽样的基础上。无论第一个放大器的输出是什么，积分器都会对它积分，它也会漂移。”
工程师说:“这个积分器的输出被输入另一个积分器。我的问题是，当第二个积分器的电压达到预期值时，它就开始衰减。”鲍勃回答说:“当然。但是，你怎么知道“期望值”是什么呢?你为什么这么聪明呢?”
这位工程师随后就陷入了困境，因为他认为自己知道是什么导致了输出偏移。他写道:“我知道这是由于灯头的内阻，但我想用某种方法绕过它，只要输入电荷保持不变，我的输出电压就保持不变。”
皮斯的回答更加尖锐:“不，可能是因为放大器的Ib输入偏置电流。你不能让一个集成商，并希望它永远不会漂移。这是行不通的。如果电池是+，那么充电放大器的输出将是- V，当然积分器将对其进行积分。如果你不希望它这样做，为什么要这样联系起来?”
皮斯继续说，“如果电荷保持不变，积分器将对信号进行积分。你不能要求输出不去积分。我认为你已经设计了一个无法运行的系统，因为积分器会进行集成。他们没办法。”
像往常一样，皮斯不得不询问更多的信息，同时对困扰着他的计算机进行了一番嘲讽:“如果你能制作出一份完整的信号和电容示意图(带值)，你能把它放到PDF附件中吗?我的电脑通常会让我看到这些。发送到这个电子邮件地址。解释(文本就可以了)所有信号正在做什么，它们的名义大小，并解释您希望发生什么。积分器和电荷放大器通常需要复位，或者有一个直流反馈电阻。(或者，循环必须以某种方式闭合。)”
皮斯再次指出，“如果你想制造一个充电放大器，你必须能够在样品的基础上进行重新设置。否则，放大器将积分它自己的误差，并将永远漂移-正如你所看到的。你不能只是要求一个更好的放大器，因为LMC660是世界上最好的，有3fa of Ib．”
回到实验室
注意皮斯的插头为LMC660(图4)．皮斯习惯让客户责怪国家半导体公司的零件，而真正的问题是他们不了解应用，或者实际的物理放大器是如何工作的。这也是他不喜欢Spice模拟的原因之一。某些放大器在数学上完美的模型并不能代表半导体器件的实际情况。
如果你打算使用Spice，请确保你有能够代表真实部分的放大器模型。Linear Tech的模型通常都很好，因为他们也提供LTSpice，模拟设备的模型通常也很好，而德克萨斯仪器公司的后期模型也很全面。但并没有多少模型能显示当电源输出触轨时电源电流发生了什么变化，或者需要多长时间才能从过载中恢复过来。
功放大师保罗·高希(Paul Grohe)是美国国家半导体公司(National Semiconductor)的鲍勃·皮斯(Bob Pease)的protégé，他很欣赏这些型号中现在已经过时的Comlinear部件。它们几乎是晶体管级的模型，内部集成电路的设计就会暴露出来。后来我遇到了Mike Steffes，当时他在Intersil，他之前是Comlinear的应用程序经理。当我提到那些模型有多好时，他笑了。我问他是否因为这些模型如此精确而从IC设计师那里得到了悲伤。
Steffes说，有一些人抱怨他揭开了设计秘密，但有两个缓和因素。其中一个原因是，这些零件是用AT&T的超高速工艺制造的，其他人都无法使用这种工艺。所以，只有设计技巧而没有过程是没有用的。下一个因素就是良好的应用理念。“这些都是非常高性能的部件，我已经厌倦了工程师们不能从他们的Spice模型中得到正确的结果，”Steffes告诉我。因此，他创造并发布了设计师可以信赖的Spice模特。布拉沃。
更多地了解偏置电流可以证明这些缺点。运放将使一个反向输出，因为你必须应用反馈到负极引脚，但这通常不是一个问题。你可以跟随积分器与逆变器，或者你可以设置电路为非逆变和生活的共模问题，直流误差，范围不准确。
你可能会注意到积分器电路的形式类似于低通滤波器。实际上，你可以把一个没有电阻的电容想象成一个具有无限时间常数的低通滤波器。如果你在这样的电路中放入一个脉冲，输出将代表脉冲下的面积，永远不会返回到0v，除非你施加一个负电压一段时间和幅值，使负电压下的面积等于正脉冲的面积。
在电容上有一个电阻器，即使是一个兆欧姆大小的电阻器，输出最终会回到零。放大器专家会说，你已经给出了一条到反馈网络的直流回路。
写《皮斯》的那位困惑的工程师让我想起了我的一些哈雷机械师朋友。他们说，他们经常接到客户的电话，说“我的引擎发出了奇怪的声音。”怎么了?”因此，工程师给皮斯写信抱怨，但却从来没有给他足够的信息，让他了解真正的问题是什么，这也许是一种典型的情况。尽管皮斯提出了尖锐的问题和热情的回应，但他还是在给这位工程师的邮件结尾写道:“让我知道正在发生什么，以及你正在尝试做什么，我会努力解决它。”致以最亲切的问候。/说唱”
然后，为了强调他的观点，皮斯在他的电子邮件回复中加了一个小故事:“P.S.:长话短说，一个国王让他的巫师把他变成隐形人。巫师照做了。好神奇! !第二天早上，国王勃然大怒。“把那个讨厌的巫师叫上来!”巫师颤抖着问道:“怎么了，陛下?”国王吼道，“我要你让我隐形，可我还是撞东西。”’”然后皮斯补充了最后一句:“小心你的要求;你可能会得到它"(图5)．
