Operatiivisen vahvistimen integraattoripiiri: rakentaminen, työskentely ja sovellukset

Op-amp: ta tai operatiivista vahvistinta on analogisen elektroniikan selkäranka, ja monista sovelluksista, kuten Summing Amplifier, differentiaalivahvistin, Instrumentation Amplifier, Op-Amp voidaan käyttää myös integraattorina, joka on erittäin hyödyllinen piiri analogiseen sovellukseen.

Yksinkertaisissa Op-Amp-sovelluksissa lähtö on verrannollinen tulon amplitudiin. Mutta kun op-amp on määritetty integraattoriksi, otetaan huomioon myös tulosignaalin kesto. Siksi op-amp-pohjainen integraattori voi suorittaa matemaattisen integraation ajan suhteen. Integraattorin tuottaa lähdön jännite op-amp, joka on suoraan verrannollinen integraalin tulo jännite; siksi lähtö on riippuvainen tulojännitteestä tietyn ajanjakson ajan.

Op-amp-integraattoripiirin rakentaminen ja toiminta

Op-amp on erittäin käytetty komponentti elektroniikassa ja sitä käytetään rakentamaan monia hyödyllisiä vahvistinpiirejä.

Yksinkertaisen integraattoripiirin rakentaminen op-vahvistinta käyttäen vaatii kaksi passiivista komponenttia ja yhden aktiivisen komponentin. Kaksi passiivista komponenttia ovat vastus ja kondensaattori. Vastus ja kondensaattori muodostavat ensimmäisen kertaluvun alipäästösuodattimen aktiivisen komponentin Op-Amp yli. Integraattoripiiri on täsmälleen päinvastoin kuin Op-amp-erotinpiiri.

Yksinkertainen Op-amp-kokoonpano koostuu kahdesta vastuksesta, mikä luo palautepolun. Integrator-vahvistimen tapauksessa takaisinkytkentävastus vaihdetaan kondensaattorilla.

Yllä olevassa kuvassa on esitetty perusintegraattoripiiri, jossa on kolme yksinkertaista komponenttia. Vastus R1 ja kondensaattori C1 on kytketty vahvistimen poikki. Vahvistin on käänteisessä kokoonpanossa.

Op-amp-vahvistus on ääretön, joten vahvistimen käänteinen tulo on virtuaalinen maa. Kun jännite syötetään R1: n yli, virta alkaa virrata vastuksen läpi, koska kondensaattorilla on hyvin pieni vastus. Kondensaattori on kytketty takaisinkytkentäasentoon ja kondensaattorin vastus on merkityksetön.

Tässä tilanteessa, jos vahvistimen vahvistussuhde lasketaan, tulos on pienempi kuin yhtenäisyys. Tämä johtuu siitä, että vahvistuksen suhde, X _C / R ₁ on liian pieni. Käytännössä, kondensaattori on erittäin alhainen resistanssi levyjen väliin ja mikä tahansa arvo R1 pitää, saatu tulos on X _C / R ₁ on hyvin pieni.

Kondensaattori alkaa latautua tulojännitteellä ja samalla suhteella myös kondensaattorin impedanssi alkaa kasvaa. Latausnopeus määräytyy R1: n ja C1: n RC-aikavakion avulla. Op-amp-virtuaalimaadoitus on nyt estynyt ja negatiivinen palaute tuottaa lähtöjännitteen op-vahvistimen yli ylläpitääkseen virtuaalisen maadoituksen koko tulossa.

Op-amp tuottaa rampin lähdön, kunnes kondensaattori latautuu täyteen. Kondensaattorin latausvirta pienenee virtuaalimaadoituksen ja negatiivisen lähdön välisen potentiaalieron vaikutuksesta.

Op-amp-integraattoripiirin lähtöjännitteen laskeminen

Edellä selitetty täydellinen mekanismi voidaan kuvata käyttämällä matemaattista muodostusta.

Katsotaanpa yllä oleva kuva. IR1 on vastuksen läpi virtaava virta. G on virtuaalinen maa. Ic1 on kondensaattorin läpi virtaava virta.

Jos Kirchhoffin nykyistä lakia sovelletaan risteyksessä G, joka on virtuaalinen maa, iR1 on invertointiliittimeen (Op-amp-nasta 2) tulevan virran ja kondensaattorin C1 läpi kulkevan virran summa.

iR ₁ = i _{käänteinen pääte} + iC ₁

Koska op-amp on ihanteellinen op-amp ja G-solmu on virtuaalinen maa, virtaa ei virtaa op-amp: n käänteisen päätteen läpi. Näin ollen, i _{invertoivaan napaan} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensaattorilla C1 on jännite-virta-suhde. Kaava on -

I _C = C (dV _C / dt)

Sovelletaan nyt tätä kaavaa käytännön tilanteessa.

Aiemmin esitetyllä integraattorin peruspiirillä on haittapuoli. Kondensaattori estää DC: n ja tästä johtuen Op-Amp-piirin DC-vahvistuksesta tulee ääretön. Siksi mikä tahansa DC-jännite Op-amp-tulossa kyllästää Op-amp-lähdön. Tämän ongelman voittamiseksi vastusta voidaan lisätä rinnakkain kondensaattorin kanssa. Vastus rajoittaa piirin DC-vahvistusta.

Op-Amp in Integrator -kokoonpano tarjoaa erilaisen lähdön erityyppisessä muuttuvassa tulosignaalissa. Integraattorivahvistimen lähtökäyttäytyminen on erilainen kussakin siniaaltosyötössä, neliöaaltotulossa tai kolmion aaltotulossa.

Op-amp-integraattorin toiminta neliöaaltotulossa

Jos neliöaalto annetaan sisääntulona integraattorivahvistimeen, tuotettu lähtö on kolmiomainen aalto tai sahahampaan aalto. Tällaisessa tapauksessa virtapiiriä kutsutaan ramppigeneraattoriksi. Neliöaallossa jännitetasot muuttuvat matalasta suureksi tai korkeaksi matalaksi, mikä saa kondensaattorin latautumaan tai purkautumaan.

Neliöaallon positiivisen huippun aikana virta alkaa virrata vastuksen läpi ja seuraavassa vaiheessa virta virtaa kondensaattorin läpi. Koska op-amp: n läpi kulkeva virta on nolla, kondensaattori latautuu. Käänteinen asia tapahtuu neliöaaltotulon negatiivisen huipun aikana. Suurella taajuudella kondensaattori saa hyvin vähän aikaa latautua täyteen.

Lataus ja purkaminen määrä riippuu vastus-kondensaattori yhdistelmä. Täydellisen integraation saavuttamiseksi sisääntulevan neliöaallon taajuuden tai jaksollisen ajan on oltava pienempi kuin piirin aikavakio, johon viitataan seuraavasti: T: n tulisi olla pienempi tai yhtä suuri kuin CR (T <= CR).

Neliöaaltogeneraattoripiiriä voidaan käyttää neliöaaltojen tuottamiseen.

Op-amp-integraattorin toiminta siniaalto-tulossa

Jos op-amp-pohjaisen integraattoripiirin tulo on siniaalto, integraattorin kokoonpanossa oleva op-vahvistin tuottaa 90 asteen vaihe-siniaalon ulostulon yli. Tätä kutsutaan kosini-aalloksi. Tässä tilanteessa, kun tulo on siniaalto, integraattoripiiri toimii aktiivisena alipäästösuodattimena.

Kuten aiemmin keskusteltiin, pienellä taajuudella tai tasavirrassa kondensaattori tuottaa estovirran, joka lopulta vähentää palautetta ja lähtöjännite kyllästyy. Tällöin vastus kytketään rinnakkain kondensaattorin kanssa. Tämä lisätty vastus tarjoaa palautepolun.

Yllä olevassa kuvassa ylimääräinen vastus R2 on kytketty rinnakkain kondensaattorin C1 kanssa. Lähtevä siniaalto on 90 astetta vaiheen ulkopuolella.

Piirin kulmataajuus on

Fc = 1 / 2πCR2

Ja DC-kokonaisvahvistus voidaan laskea -

Vahvistus = -R2 / R1

Siniaaltogeneraattoripiiriä voidaan käyttää synteettisten aaltojen generointiin integraattorituloa varten.

Op-amp-integraattorin käyttäytyminen kolmion aaltotulossa

Kolmion aaltosyötössä op-amp tuottaa jälleen sinimuotoisen aallon. Koska vahvistin toimii alipäästösuodattimena, korkeataajuiset yliaallot vähenevät huomattavasti. Lähtevä siniaalto koostuu vain matalataajuisista yliaaltoista ja lähtötaajuus pienellä amplitudilla.

Op-amp Integrator -sovellukset

Integraattori on tärkeä osa instrumentointia ja sitä käytetään ramppien tuottamiseen.
Funktiogeneraattorissa integraattoripiiriä käytetään tuottamaan kolmion muotoinen aalto.
Integraattoria käytetään aaltojen muotoilupiirissä, kuten erilaisessa latausvahvistimessa.
Sitä käytetään analogisissa tietokoneissa, joissa integrointi on tehtävä analogista piiriä käyttämällä.
Integraattoripiiriä käytetään myös laajasti analogisessa digitaalimuuntimessa.
Eri anturit käyttävät integraattoria myös tuottamaan hyödyllisiä tuloksia.