Układ integratora wzmacniacza operacyjnego: budowa, działanie i zastosowania

Wzmacniacz operacyjny lub wzmacniacz operacyjny jest podstawą analogowej elektroniki i spośród wielu aplikacji, takich jak wzmacniacz sumujący, wzmacniacz różnicowy, wzmacniacz oprzyrządowania, wzmacniacz operacyjny może być również używany jako integrator, który jest bardzo przydatnym obwodem w zastosowaniach związanych z analogami.

W prostych aplikacjach wzmacniacza operacyjnego wyjście jest proporcjonalne do amplitudy wejściowej. Ale gdy wzmacniacz operacyjny jest skonfigurowany jako integrator, bierze się również pod uwagę czas trwania sygnału wejściowego. Dlatego integrator oparty na wzmacniaczu operacyjnym może przeprowadzić matematyczną integrację w odniesieniu do czasu. Całkujący wytwarza napięcie wyjściowe całej op-wzmacniacz, który jest bezpośrednio proporcjonalna do całki napięcia wejściowego; dlatego moc wyjściowa jest zależna od napięcia wejściowego przez pewien okres czasu.

Budowa i działanie obwodu integratora wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny jest bardzo szeroko stosowanym elementem w elektronice i jest używany do budowy wielu użytecznych obwodów wzmacniacza.

Budowa prostego obwodu Integratora przy użyciu wzmacniacza operacyjnego wymaga dwóch elementów pasywnych i jednego elementu aktywnego. Dwa elementy pasywne to rezystor i kondensator. Rezystor i kondensator tworzą filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu na aktywnym wzmacniaczu operacyjnym. Obwód integratora jest dokładnie przeciwny do obwodu różnicującego wzmacniacza operacyjnego.

Prosta konfiguracja wzmacniacza operacyjnego składa się z dwóch rezystorów, które tworzą ścieżkę sprzężenia zwrotnego. W przypadku wzmacniacza Integrator, rezystor sprzężenia zwrotnego jest wymieniany za pomocą kondensatora.

Na powyższym obrazku pokazano podstawowy obwód integratora z trzema prostymi komponentami. Rezystor R1 i kondensator C1 są podłączone do wzmacniacza. Wzmacniacz jest w konfiguracji odwracającej.

Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jest nieskończone, dlatego wejście odwracające wzmacniacza jest wirtualną masą. Kiedy napięcie jest przyłożone do R1, prąd zaczyna płynąć przez rezystor, ponieważ kondensator ma bardzo małą rezystancję. Kondensator jest podłączony w położeniu sprzężenia zwrotnego, a rezystancja kondensatora jest nieznaczna.

W tej sytuacji, jeśli obliczany jest współczynnik wzmocnienia wzmacniacza, wynik będzie mniejszy niż jedność. Dzieje się tak, ponieważ współczynnik wzmocnienia X _C / R ₁ jest za mały. Praktycznie kondensator ma bardzo niską rezystancję między płytami i niezależnie od wartości R1, wynik wyjściowy X _C / R ₁ będzie bardzo niski.

Kondensator zaczyna się ładować napięciem wejściowym iw tym samym stosunku impedancja kondensatora również zaczyna rosnąć. Szybkość ładowania wyznacza stała czasowa RC R1 i C1. Wirtualna masa wzmacniacza operacyjnego jest teraz utrudniona, a ujemne sprzężenie zwrotne wytworzy napięcie wyjściowe na wzmacniaczu operacyjnym, aby utrzymać wirtualny stan uziemienia na wejściu.

Wzmacniacz operacyjny wytwarza rampę wyjściową, aż kondensator zostanie w pełni naładowany. Kondensator ładuje prąd zmniejsza się pod wpływem różnicy potencjałów między wirtualną ziemią a wyjściem ujemnym.

Obliczanie napięcia wyjściowego obwodu integratora wzmacniacza operacyjnego

Cały mechanizm wyjaśniony powyżej można opisać za pomocą formacji matematycznej.

Zobaczmy powyższy obraz. IR1 to prąd przepływający przez rezystor. G to wirtualna podstawa. Ic1 to prąd przepływający przez kondensator.

Jeśli aktualne prawo Kirchhoffa zostanie zastosowane w poprzek złącza G, które jest wirtualną masą, iR1 będzie sumą prądu wchodzącego do terminala odwracającego (pin 2 wzmacniacza operacyjnego) i prądu przepływającego przez kondensator C1.

iR ₁ = i _{odwracający zacisk} + iC ₁

Ponieważ wzmacniacz operacyjny jest idealnym wzmacniaczem operacyjnym, a węzeł G jest wirtualną masą, żaden prąd nie przepływa przez terminal odwracający wzmacniacza operacyjnego. W związku z tym , że _{odwracanie zacisk} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensator C1 ma zależność napięcie-prąd. Formuła to -

Ja _C = C (dV _C / dt)

Teraz zastosujmy tę formułę w praktycznym scenariuszu. Plik

Podstawowy obwód integratora, który został pokazany wcześniej, ma wadę. Kondensator blokuje prąd stały, przez co wzmocnienie DC obwodu wzmacniacza operacyjnego staje się nieskończone. Dlatego każde napięcie DC na wejściu wzmacniacza operacyjnego nasyca wyjście wzmacniacza operacyjnego. Aby rozwiązać ten problem, można dodać rezystancję równolegle z kondensatorem. Rezystor ogranicza wzmocnienie DC obwodu.

Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji integratora zapewnia inne wyjście w innym typie zmieniającego się sygnału wejściowego. Zachowanie wyjściowe wzmacniacza Integrator jest różne w każdym przypadku wejścia sinusoidalnego, prostokątnego lub trójkątnego.

Zachowanie integratora wzmacniacza operacyjnego na wejściu prostokątnym

Jeśli fala prostokątna jest dostarczana jako wejście do wzmacniacza integratora, to na wyjściu będzie fala trójkątna lub piłokształtna. W takim przypadku obwód nazywany jest generatorem rampy. W przypadku fali prostokątnej poziomy napięcia zmieniają się z niskiego na wysoki lub z wysokiego na niski, co powoduje ładowanie lub rozładowywanie kondensatora.

Podczas dodatniego szczytu fali prostokątnej prąd zaczyna płynąć przez rezystor, aw następnym etapie prąd płynie przez kondensator. Ponieważ prąd przepływający przez wzmacniacz operacyjny wynosi zero, kondensator zostaje naładowany. Odwrotna rzecz nastąpi podczas ujemnego szczytu sygnału wejściowego fali prostokątnej. W przypadku wysokiej częstotliwości kondensator potrzebuje bardzo minimalnego czasu na pełne naładowanie.

Szybkość ładowania i rozładowywania zależy od kombinacji rezystor-kondensator. Aby zapewnić idealną integrację, częstotliwość lub okresowy czas wejściowej fali prostokątnej musi być mniejszy niż stała czasowa obwodu, która jest określana jako: T powinna być mniejsza lub równa CR (T <= CR).

Obwód generatora fali prostokątnej może być używany do wytwarzania fal prostokątnych.

Zachowanie integratora wzmacniacza operacyjnego na wejściu sinusoidalnym

Jeśli sygnał wejściowy w obwodzie integratora opartym na wzmacniaczu operacyjnym jest falą sinusoidalną, wzmacniacz operacyjny w konfiguracji integratora wytwarza falę sinusoidalną przesuniętą w fazie o 90 stopni na wyjściu. Nazywa się to falą cosinusową. W tej sytuacji, gdy na wejściu jest fala sinusoidalna, obwód integratora działa jako aktywny filtr dolnoprzepustowy.

Jak omówiono wcześniej, przy niskiej częstotliwości lub w DC kondensator wytwarza prąd blokujący, który ostatecznie zmniejsza sprzężenie zwrotne i nasycenie napięcia wyjściowego. W takim przypadku rezystor jest połączony równolegle z kondensatorem. Ten dodany rezystor zapewnia ścieżkę sprzężenia zwrotnego.

Na powyższym obrazku dodatkowy rezystor R2 jest połączony równolegle z kondensatorem C1. Wyjściowa fala sinusoidalna jest przesunięta o 90 stopni.

Częstotliwość narożna obwodu będzie wynosić

Fc = 1 / 2πCR2

Całkowity zysk DC można obliczyć za pomocą -

Zysk = -R2 / R1

Obwód generatora fali sinusoidalnej może służyć do generowania fal sinusoidalnych na wejściu integratora.

Zachowanie integratora wzmacniacza operacyjnego na wejściu trójkątnym

Na wejściu trójkątnym wzmacniacz operacyjny ponownie wytwarza falę sinusoidalną. Ponieważ wzmacniacz działa jako filtr dolnoprzepustowy, harmoniczne o wysokiej częstotliwości są znacznie zmniejszone. Wyjściowa fala sinusoidalna składa się tylko z harmonicznych o niskiej częstotliwości, a wyjściowa będzie o niskiej amplitudzie.

Zastosowania integratora wzmacniacza operacyjnego

1. Integrator jest ważną częścią oprzyrządowania i jest używany do generowania rampy.
2. W generatorze funkcyjnym obwód integratora jest używany do wytwarzania fali trójkątnej.
3. Integrator jest używany w obwodzie kształtującym fale, takim jak inny rodzaj wzmacniacza ładunku.
4. Stosowany jest w komputerach analogowych, gdzie integracja jest wymagana za pomocą obwodu analogowego.
5. Obwód integratora jest również szeroko stosowany w przetworniku analogowym do cyfrowego.
6. Różne czujniki wykorzystują również integrator do odtwarzania użytecznych danych wyjściowych.