Integracijski krug operativnog pojačala: konstrukcija, rad i primjene

Op-pojačalo ili operativno pojačalo okosnica je analogne elektronike i od mnogih se aplikacija, poput zbrajajućeg pojačala, diferencijalnog pojačala, instrumentacijskog pojačala, op-pojačalo, također može koristiti kao integrator, što je vrlo koristan sklop u analognoj aplikaciji.

U jednostavnim aplikacijama Op-Amp, izlaz je proporcionalan ulaznoj amplitudi. Ali kada je op-pojačalo konfigurirano kao integrator, uzima se u obzir i trajanje ulaznog signala. Stoga integrator na temelju op-amp-a može izvesti matematičku integraciju s obzirom na vrijeme. Integrator proizvodi izlazni napon preko op-amp, koja je izravno proporcionalna integral ulaznog napona; stoga je izlaz ovisan o ulaznom naponu tijekom određenog vremenskog razdoblja.

Izgradnja i rad sklopa integratora op-pojačala

Op-pojačalo je vrlo široko korištena komponenta u elektronici i koristi se za izgradnju mnogih korisnih krugova pojačala.

Konstrukcija jednostavnog integratorskog kruga pomoću op-pojačala zahtijeva dvije pasivne komponente i jednu aktivnu komponentu. Dvije pasivne komponente su otpornik i kondenzator. Otpornik i kondenzator čine niskopropusni filtar prvog reda kroz aktivnu komponentu Op-Amp. Sklop integratora je upravo suprotan krugu diferencijara Op-amp.

Jednostavna Op-amp konfiguracija sastoji se od dva otpornika, što stvara povratnu putanju. U slučaju pojačala Integrator, povratni otpor se mijenja kondenzatorom.

Na gornjoj slici prikazan je osnovni sklop integratora s tri jednostavne komponente. Otpor R1 i kondenzator C1 spojeni su preko pojačala. Pojačalo je u obrnutoj konfiguraciji.

Pojačanje op-pojačala je beskonačno, stoga je invertirani ulaz pojačala virtualno tlo. Kada se na R1 primijeni napon, struja počinje prolaziti kroz otpor jer kondenzator ima vrlo mali otpor. Kondenzator je povezan u povratnom položaju, a otpor kondenzatora je beznačajan.

U ovoj situaciji, ako se izračuna omjer pojačanja pojačala, rezultat će biti manji od jedinice. To je zato što je omjer pojačanja X _C / R ₁ premali. Praktično, kondenzator ima vrlo mali otpor između ploča i bez obzira na vrijednost R1, izlazni rezultat X _C / R ₁ bit će vrlo nizak.

Kondenzator se počinje puniti ulaznim naponom iu istom omjeru impedancija kondenzatora također počinje rasti. Brzina punjenja određena je RC - vremenskom konstantom R1 i C1. Virtualna zemlja op-pojačala sada je otežana, a negativne povratne informacije proizvest će izlazni napon na op-pojačalu kako bi se održalo stanje virtualne zemlje na ulazu.

Op-pojačavač proizvodi izlaznu rampu sve dok se kondenzator ne napuni do kraja. Struja punjenja kondenzatora smanjuje se utjecajem potencijalne razlike između virtualne zemlje i negativnog izlaza.

Izračunavanje izlaznog napona kruga integratora op-pojačala

Kompletni gore objašnjeni mehanizam može se opisati pomoću matematičke formacije.

Pogledajmo gornju sliku. IR1 je struja koja prolazi kroz otpornik. G je virtualno tlo. Ic1 je struja koja prolazi kroz kondenzator.

Ako se Kirchhoffov trenutni zakon primijeni na spoju G, koji je virtualno tlo, iR1 će biti zbroj struje koja ulazi u Inverting terminal (Op-amp pin 2) i struje koja prolazi kroz kondenzator C1.

iR ₁ = i _{invertirajući terminal} + iC ₁

Budući da je op-pojačalo idealno op-pojačalo, a G čvor virtualno tlo, struja ne prolazi kroz invertirajući terminal op-pojačala. Stoga, i _{preokretanje terminal} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondenzator C1 ima odnos napona i struje. Formula je -

I _C = C (dV _C / dt)

Sada primijenimo ovu formulu u praktičnom scenariju. The

Osnovni sklop integratora, koji je prethodno prikazan, ima nedostatak. Kondenzator blokira istosmjernu struju i zbog toga jednosmjerno pojačanje kruga Op-Amp postaje beskonačno. Stoga, bilo koji istosmjerni napon na ulazu Op-pojačala zasićuje izlaz Op-pojačala. Da bi se prevladao ovaj problem, paralelno s kondenzatorom može se dodati otpor. Otpor ograničava jednosmjerno pojačanje kruga.

Op-pojačalo u konfiguraciji Integratora pruža različite izlaze u različitoj vrsti promjenjivog ulaznog signala. Izlazno ponašanje pojačala Integrator različito je u svakom slučaju ulaza sinusnog vala, kvadratnog ulaza ili trokutastog vala.

Ponašanje integratora op-pojačala na ulazu kvadratnih valova

Ako je kvadratni val osiguran kao ulaz u pojačalo integratora, proizvedeni izlaz bit će trokutasti val ili val zubaca. U takvom se slučaju krug naziva Ramp generator. U kvadratnom valu valovi se mijenjaju od niskog do visokog ili visokog do niskog, zbog čega se kondenzator puni ili prazni.

Tijekom pozitivnog vrha kvadratnog vala, struja počinje prolaziti kroz otpornik, a u sljedećem stupnju struja prolazi kroz kondenzator. Budući da je protok struje kroz op-pojačalo nula, kondenzator se puni. Obrnuta stvar dogodit će se tijekom negativnog vrha unosa kvadratnog vala. Za visoke frekvencije, kondenzator dobiva vrlo malo vremena da se potpuno napuni.

Brzina punjenja i pražnjenja ovisi o kombinaciji otpornik-kondenzator. Za savršenu integraciju, frekvencija ili periodično vrijeme ulaznog kvadratnog vala mora biti manje od vremenske konstante kruga, koja se naziva: T treba biti manja ili jednaka CR (T <= CR).

Krug kvadratnog vala generatora može se koristiti za proizvodnju kvadratnih valova.

Ponašanje integratora op-pojačala na ulazu sinusnog vala

Ako je ulaz preko sklopa integratora koji se temelji na op-amp sinusnom valu, Op-amp u konfiguraciji integratora proizvodi 90-fazni vanfazni sinusni val na izlazu. To se naziva kosinusni val. Tijekom ove situacije, kada je ulaz sinusni val, integratorski krug djeluje kao aktivni niskopropusni filtar.

Kao što je prethodno spomenuto, kondenzator u niskoj frekvenciji ili u istosmjernoj struji proizvodi struju blokiranja koja na kraju smanjuje povratne informacije i izlazni napon zasićuje. U takvom je slučaju paralelno s kondenzatorom povezan otpornik. Ovaj dodani otpor pruža povratnu putanju.

Na gornjoj je slici paralelno s kondenzatorom C1 spojen dodatni otpor R2. Izlazni sinusni val je 90 stupnjeva izvan faze.

Ugaona frekvencija kruga bit će

Fc = 1 / 2πCR2

A ukupni DC dobitak može se izračunati pomoću -

Dobitak = -R2 / R1

Krug generatora sinusnih valova može se koristiti za generiranje sinusnih valova za ulaz integratora.

Ponašanje integratora op-pojačala na ulazu trokutastih valova

U trokutastom ulazu valova, oppojačalo ponovno stvara sinusni val. Kako pojačalo djeluje kao niskopropusni filtar, visokofrekventni harmoniki su znatno smanjeni. Izlazni sinusni val sastoji se samo od niskofrekventnih harmonika, a na izlazu male amplitude.

Primjene Op-amp Integratora

Integrator je važan dio instrumentacije i koristi se u generaciji rampi.
U generatoru funkcija, integratorski krug koristi se za stvaranje trokutastog vala.
Integrator se koristi u krugovima za oblikovanje valova, poput različitih vrsta pojačala naboja.
Koristi se u analognim računalima, gdje je integraciju potrebno izvršiti pomoću analognog sklopa.
Sklop integratora također se široko koristi u analognom digitalnom pretvaraču.
Različiti senzori također koriste integrator za reprodukciju korisnih rezultata.