Obvod integrátora operačného zosilňovača: konštrukcia, práca a aplikácie

Operačný zosilňovač alebo operačný zosilňovač je chrbticou analógovej elektroniky a z mnohých aplikácií, ako je súčtový zosilňovač, diferenciálny zosilňovač, prístrojový zosilňovač, je možné operačný zosilňovač použiť aj ako integrátor, čo je veľmi užitočný obvod v analógových aplikáciách.

V jednoduchých aplikáciách Op-Amp je výstup úmerný vstupnej amplitúde. Ale keď je operačný zosilňovač nakonfigurovaný ako integrátor, bude sa brať do úvahy aj trvanie vstupného signálu. Preto môže integrátor na báze op-amp vykonávať matematickú integráciu s ohľadom na čas. Integrátor produkuje výstupné napätie na operačného zosilňovača, ktorá je priamo úmerná k integrálu vstupného napätia; preto je výstup závislý od vstupného napätia v určitom časovom období.

Konštrukcia a práca obvodu integrátora zosilňovača

Operačný zosilňovač je veľmi často používaný komponent v elektronike a používa sa na zostavenie mnohých užitočných obvodov zosilňovača.

Konštrukcia jednoduchého obvodu Integrator pomocou operačného zosilňovača vyžaduje dve pasívne zložky a jednu aktívnu zložku. Dva pasívne komponenty sú odpor a kondenzátor. Rezistor a kondenzátor tvoria dolnopriepustný filter prvého rádu cez aktívny komponentný zosilňovač. Obvod integrátora je presne opačný ako obvod diferenciálneho zosilňovača Op-amp.

Jednoduchá konfigurácia operačného zosilňovača sa skladá z dvoch rezistorov, ktoré vytvárajú cestu spätnej väzby. V prípade zosilňovača Integrator sa spätnoväzbový odpor mení pomocou kondenzátora.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený základný integrátorový obvod s tromi jednoduchými komponentmi. Rezistor R1 a kondenzátor C1 sú pripojené cez zosilňovač. Zosilňovač je v inverznej konfigurácii.

Zisk operačného zosilňovača je nekonečný, preto je inverzný vstup zosilňovača virtuálnym uzemnením. Keď je na R1 privádzané napätie, začne prúd pretekať cez odpor, pretože kondenzátor má veľmi nízky odpor. Kondenzátor je pripojený v polohe spätnej väzby a odpor kondenzátora je zanedbateľný.

V tejto situácii, ak sa počíta pomer zosilnenia zosilňovača, bude výsledok menší ako jednota. Je to preto, že pomer zosilnenia X _C / R ₁ je príliš malý. Prakticky má kondenzátor medzi doskami veľmi nízky odpor a bez ohľadu na hodnotu R1, bude výstupný výsledok X _C / R ₁ veľmi nízky.

Kondenzátor sa začína nabíjať vstupným napätím a v rovnakom pomere sa tiež začína zvyšovať impedancia kondenzátora. Rýchlosť nabíjania je určená RC - časovou konštantou R1 a C1. Virtuálna zem operačného zosilňovača je teraz obmedzená a negatívna spätná väzba bude produkovať výstupné napätie naprieč operačným zosilňovačom, aby sa udržal stav virtuálnej zeme na vstupe.

Operačný zosilňovač produkuje rampový výstup, kým sa kondenzátor úplne nenabije. Nabíjací prúd kondenzátora klesá vplyvom rozdielu potenciálov medzi virtuálnou zemou a záporným výstupom.

Výpočet výstupného napätia integrovaného obvodu operačného zosilňovača

Celý mechanizmus vysvetlený vyššie je možné opísať pomocou matematickej formácie.

Pozrime sa na vyššie uvedený obrázok. IR1 je prúd pretekajúci odporom. G je virtuálna zem. Ic1 je prúd pretekajúci kondenzátorom.

Ak sa použije Kirchhoffov súčasný zákon cez križovatku G, čo je virtuálna zem, iR1 bude súčtom prúdu vstupujúceho do invertujúceho terminálu (pin op-amp 2) a prúdu prechádzajúceho kondenzátorom C1.

iR ₁ = i _{invertujúci terminál} + iC ₁

Pretože operačný zosilňovač je ideálny operačný zosilňovač a G uzol je virtuálna zem, invertujúcim terminálom operačného zosilňovača neprúdi žiadny prúd. Preto i _{invertujúci terminál} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondenzátor C1 má vzťah napätie-prúd. Vzorec je -

I _C = C (dV _C / dt)

Teraz použijeme tento vzorec v praktickom scenári. The

Základný obvod integrátora, ktorý je zobrazený vyššie, má nevýhodu. Kondenzátor blokuje DC a vďaka tomu sa zisk DC obvodu Op-Amp stáva nekonečným. Preto akékoľvek jednosmerné napätie na vstupe operačného zosilňovača saturuje výstup operačného zosilňovača. Na prekonanie tohto problému je možné pridať odpor paralelne s kondenzátorom. Rezistor obmedzuje jednosmerný zisk obvodu.

Konfigurácia Op-Amp v integrátore poskytuje iný výstup v inom type meniaceho sa vstupného signálu. Výstupné správanie zosilňovača Integrator je odlišné v každom prípade vstupu sínusovej vlny, vstupu štvorcovej vlny alebo vstupu trojuholníkovej vlny.

Chovanie integrátora operačného zosilňovača pri vstupe štvorcových vĺn

Ak je štvorcová vlna poskytnutá ako vstup do zosilňovača integrátora, produkovaným výstupom bude trojuholníková vlna alebo vlna píliaceho zuba. V takom prípade sa obvod nazýva generátor rampy. V obdĺžnikovej vlne sa úrovne napätia menia z nízkej na vysokú alebo z vysokej na nízku, čo vedie k nabitiu alebo vybitiu kondenzátora.

Počas kladného vrcholu štvorcovej vlny začne prúd pretekať cez odpor a v ďalšom stupni bude prúd prúdiť cez kondenzátor. Pretože prúd prúdiaci cez operačný zosilňovač je nulový, kondenzátor sa nabije. Opačná vec sa stane počas záporného vrcholu vstupu obdĺžnikovej vlny. Pre vysokú frekvenciu dostane kondenzátor veľmi minimálny čas na úplné nabitie.

Rýchlosť nabíjania a vybíjania závisí od kombinácie rezistora a kondenzátora. Pre dokonalú integráciu musí byť frekvencia alebo periodický čas vstupnej štvorcovej vlny menšia ako časová konštanta obvodu, ktorá sa označuje ako: T by malo byť menšie alebo rovné CR (T <= CR).

Obvod generátora štvorcových vĺn možno použiť na výrobu štvorcových vĺn.

Chovanie integrátora operačného zosilňovača na vstupe sínusovej vlny

Ak je vstupom cez obvod integrátora založeného na operačnom zosilňovači sínusová vlna, operačný zosilňovač v konfigurácii integrátora produkuje 90 stupňov fázovej sínusovej vlny na výstupe. Toto sa nazýva kosínová vlna. V tejto situácii, keď je vstupom sínusová vlna, integrátorový obvod funguje ako aktívny dolnopriepustný filter.

Ako už bolo diskutované, kondenzátor pri nízkej frekvencii alebo pri jednosmernom prúde vytvára blokovací prúd, ktorý nakoniec znižuje spätnú väzbu a saturuje výstupné napätie. V takom prípade je rezistor paralelne spojený s kondenzátorom. Tento pridaný rezistor poskytuje cestu spätnej väzby.

Na vyššie uvedenom obrázku je paralelne s kondenzátorom C1 pripojený ďalší odpor R2. Výstupná sínusová vlna je 90 stupňov mimo fázy.

Rohová frekvencia obvodu bude

Fc = 1 / 2πCR2

A celkový zisk DC je možné vypočítať pomocou -

Zisk = -R2 / R1

Obvod generátora sínusových vĺn možno použiť na generovanie sínusových vĺn pre vstup integrátora.

Chovanie integrátora operačného zosilňovača pri vstupe trojuholníkovej vlny

Pri vstupe trojuholníkových vĺn operačný zosilňovač opäť produkuje sínusovú vlnu. Pretože zosilňovač funguje ako dolnopriepustný filter, vysokofrekvenčné harmonické sú výrazne znížené. Výstupná sínusová vlna pozostáva iba z nízkofrekvenčných harmonických a výstupná vôľa s nízkou amplitúdou.

Aplikácie integrátora operačných zosilňovačov

1. Integrátor je dôležitou súčasťou prístrojového vybavenia a používa sa pri generovaní rampy.
2. V generátore funkcií sa integrátorový obvod používa na výrobu trojuholníkovej vlny.
3. Integrátor sa používa v obvodoch na tvarovanie vĺn, ako je iný druh zosilňovača náboja.
4. Používa sa v analógových počítačoch, kde je potrebné vykonať integráciu pomocou analógového obvodu.
5. Integrovaný obvod je tiež široko používaný v analógovom na digitálny prevodník.
6. Rôzne snímače tiež používajú integrátor na reprodukciu užitočných výstupov.