Műveleti erősítő integrátor áramkör: felépítés, munka és alkalmazások

Az Op-amp vagy az operációs erősítő az analóg elektronika gerince, és számos alkalmazás közül, például a Summing Erősítő, a Differenciálerősítő, a Műszeres Erősítő, az Op-Amp integrátorként is használható, ami nagyon hasznos áramkör az analóg kapcsolódó alkalmazásokban.

Egyszerű Op-Amp alkalmazásokban a kimenet arányos a bemeneti amplitúdóval. De amikor az op-amp integrátorként van konfigurálva, akkor a bemeneti jel időtartamát is figyelembe veszik. Ezért egy op-amp alapú integrátor matematikai integrációt hajthat végre az idő függvényében. Az integrátor kimeneti feszültséget állít elő az op-erősítőn, amely egyenesen arányos a bemeneti feszültség integráljával; ezért a kimenet függ a bemeneti feszültségtől egy ideig.

Op-amp integrátor áramkör felépítése és működése

Az Op-amp nagyon széles körben használt alkatrész az elektronikában, és sok hasznos erősítő áramkör kiépítésére szolgál.

Az egyszerű integrátor áramkör felépítéséhez op-amp segítségével két passzív és egy aktív komponensre van szükség. A két passzív alkatrész az ellenállás és a kondenzátor. Az ellenállás és a kondenzátor egy elsőrendű aluláteresztő szűrőt képeznek az Op-Amp aktív komponensen. Az integrátor áramköre pontosan ellentétes az Op-amp differenciátor áramkörével.

Egy egyszerű Op-amp konfiguráció két ellenállásból áll, amelyek visszacsatolási utat hoznak létre. Az Integrator erősítő esetében a visszacsatolási ellenállást kondenzátorral cserélik.

A fenti képen egy alapvető integráló áramkör látható három egyszerű alkatrésszel. Az R1 ellenállás és a C1 kondenzátor az erősítőn keresztül csatlakozik. Az erősítő Invertálás konfigurációban van.

Az Op-amp erősítés végtelen, ezért az erősítő Invertáló bemenete virtuális föld. Amikor feszültséget alkalmaznak az R1-en, az áram elkezd áramlani az ellenálláson, mivel a kondenzátor nagyon alacsony ellenállással rendelkezik. A kondenzátor visszacsatolási helyzetben van csatlakoztatva, és a kondenzátor ellenállása jelentéktelen.

Ebben a helyzetben, ha kiszámoljuk az erősítő erősítési arányát, az eredmény kevesebb lesz, mint az egység. Ennek oka, hogy az X _C / R ₁ erősítési arány túl kicsi. Gyakorlatilag a kondenzátor nagyon alacsony ellenállással rendelkezik a lemezek között, és bármi is legyen az R1 érték, az X _C / R ₁ kimeneti eredménye nagyon alacsony lesz.

A kondenzátor a bemeneti feszültséggel kezd feltöltődni, és ugyanabban az arányban a kondenzátor impedanciája is növekszik. A töltési sebességet az R1 és C1 RC időállandója határozza meg. Az op-amp virtuális földelés most akadályozott, és a negatív visszacsatolás kimeneti feszültséget állít elő az op-amp-on, hogy fenntartsa a virtuális föld állapotát a bemeneten keresztül.

Az Op-erősítő rámpa kimenetet produkál, amíg a kondenzátor teljesen fel nem töltődik. A kondenzátor töltőárama csökken a virtuális föld és a negatív kimenet közötti potenciálkülönbség hatására.

Az Op-amp integrátor áramkör kimeneti feszültségének kiszámítása

A fentiekben ismertetett teljes mechanizmus leírható matematikai képződés alkalmazásával.

Lássuk a fenti képet. Az iR1 az ellenálláson átáramló áram. A G a virtuális talaj. Az Ic1 a kondenzátoron átáramló áram.

Ha Kirchhoff jelenlegi törvényét alkalmazzák a G csomóponton, amely egy virtuális föld, akkor az iR1 az Invertáló terminálba (Op-amp 2-es érintkező) bejutó áram és a C1 kondenzátoron átmenő áram összege.

iR ₁ = i _{inverter terminál} + iC ₁

Mivel az op-amp ideális op-amp, a G csomópont pedig egy virtuális föld, az op-amp invertáló terminálján nem áramlik áram. Ezért i _{terminál invertálása} = 0

iR ₁ = iC ₁

A C1 kondenzátor feszültség-áram viszonyban van. A képlet:

I _C = C (dV _C / dt)

Most alkalmazzuk ezt a képletet egy gyakorlati forgatókönyvben. A

A korábban bemutatott alapvető integrátor áramkörnek van egy hátránya. A kondenzátor blokkolja az egyenáramot, és ennek következtében az Op-Amp áramkör egyenáram-erősítése végtelen lesz. Ezért az Op-amp bemeneten lévő egyenáramú feszültség telíti az Op-amp kimenetet. Ennek a problémának a leküzdése érdekében a kondenzátorral párhuzamosan hozzá lehet adni az ellenállást. Az ellenállás korlátozza az áramkör egyenáramú erősítését.

Az Op-Amp in Integrator konfigurációja eltérő kimenetet biztosít, változó bemeneti jellel. Az Integrator erősítő kimeneti viselkedése a szinuszos, a négyzethullámú vagy a háromszög alakú hullámbemenet esetében minden esetben eltérő.

Op-amp integrátor viselkedése a négyzethullámú bemeneten

Ha a négyzethullámot bemenetként adják meg az Integrator Erősítőhöz, akkor az előállított kimenet háromszög alakú vagy fűrészfogú hullám lesz. Ilyen esetben az áramkört Ramp generátornak hívják . Négyzethullámban a feszültség szintje alacsonyról magasra vagy magasról alacsonyra változik, ami miatt a kondenzátor feltöltődik vagy kisül.

A négyzethullám pozitív csúcsa során az áram átfolyik az ellenálláson, és a következő szakaszban az áram a kondenzátoron áramlik. Mivel az op-amp-on átáramló áram nulla, a kondenzátor feltöltődik. A négyzetes hullám bemenetének negatív csúcsa során fordított dolog történik. Nagy kondenzátor esetén a kondenzátor minimális időt kap a teljes feltöltésre.

A töltési és kisütési sebesség az ellenállás-kondenzátor kombinációtól függ. A tökéletes integráció érdekében a bemeneti négyzethullám frekvenciájának vagy periodikus idejének kisebbnek kell lennie, mint az áramkör időállandója, amelyet a következőknek nevezünk: T-nek kisebbnek vagy egyenlőnek kell lennie a CR-vel (T <= CR).

Négyzethullám-generátor áramkör használható négyzethullámok előállítására.

Op-amp integrátor viselkedése a szinusz hullám bemenetén

Ha az op-amp alapú integrátor áramkörön a bemenet szinusz hullám, akkor az integrátor konfigurációjában lévő Op-amp 90 fokos szinusz hullámot eredményez a kimeneten. Ezt koszinusz-hullámnak hívják. Ebben a helyzetben, amikor a bemenet szinusz hullám, az integrátor áramkör aktív aluláteresztő szűrőként működik.

Amint arról korábban szó esett, alacsony kondícióban vagy egyenáramban a kondenzátor blokkoló áramot hoz létre, amely végül csökkenti a visszacsatolást és a kimeneti feszültség telítődik. Ilyen esetben egy ellenállást párhuzamosan kapcsolnak a kondenzátorral. Ez a hozzáadott ellenállás visszacsatolási utat biztosít.

A fenti képen egy további R2 ellenállás kapcsolódik párhuzamosan a C1 kondenzátorral. A kimeneti szinusz hullám fázison kívül 90 fokos.

Az áramkör sarokfrekvenciája

Fc = 1 / 2πCR2

És a teljes DC-nyereség kiszámítható -

Nyereség = -R2 / R1

A szinusz hullám generátor áramkör használható szinusz hullámok előállítására az integrátor bemenetéhez.

Op-amp integrátor viselkedése a háromszög hullám bemenetén

Háromszög alakú hullámbemenetnél az op-amp ismét szinuszos hullámot produkál. Mivel az erősítő aluláteresztő szűrőként működik, a nagyfrekvenciás harmonikusok jelentősen lecsökkennek. A kimeneti szinusz hullám csak alacsony frekvenciájú harmonikusokból áll, és a kimeneti akarat alacsony amplitúdójú.

Az Op-amp Integrator alkalmazásai

1. Az integrátor fontos része a műszereknek, és a rámpák generálásában használják.
2. A funkciógenerátorban az integrátor áramkört használják a háromszög alakú hullám előállítására.
3. Az integrátort olyan hullámalakító áramkörökben használják, mint egy másfajta töltőerősítő.
4. Analóg számítógépeken használják, ahol az integrációt az analóg áramkör használatával kell végrehajtani.
5. Az integrátor áramkört széles körben használják az analóg és a digitális átalakító között is.
6. Különböző érzékelők integrátort is használnak a hasznos kimenetek reprodukálásához.