Litar integrator penguat operasi: pembinaan, kerja dan aplikasi

Op-amp atau Operational Amplifier adalah tulang belakang Analog Electronics dan daripada banyak aplikasi, seperti Summing Amplifier, diferensial amplifier, Instrumentation Amplifier, Op-Amp juga dapat digunakan sebagai integrator yang merupakan rangkaian yang sangat berguna dalam aplikasi yang berkaitan dengan analog.

Dalam aplikasi Op-Amp yang sederhana, outputnya sebanding dengan amplitud input. Tetapi apabila op-amp dikonfigurasi sebagai integrator, jangka masa isyarat input juga dipertimbangkan. Oleh itu, integrator berasaskan op-amp dapat melakukan integrasi matematik dengan mengambil kira masa. The penyepadu menghasilkan voltan keluaran pada op-amp, yang adalah berkadar terus dengan kamiran voltan input; oleh itu output bergantung pada voltan input dalam jangka masa tertentu.

Pembinaan dan Kerja Litar Integrator Op-amp

Op-amp adalah komponen yang sangat banyak digunakan dalam Elektronik dan digunakan untuk membina banyak rangkaian penguat yang berguna.

Pembinaan litar Integrator sederhana menggunakan op-amp memerlukan dua komponen pasif dan satu komponen aktif. Dua komponen pasif adalah perintang dan kapasitor. Resistor dan Kapasitor membentuk penapis hantaran rendah orde pertama di seluruh komponen aktif Op-Amp. Litar integrator bertentangan dengan litar pembezaan Op-amp.

Konfigurasi Op-amp yang sederhana terdiri daripada dua perintang, yang membuat jalan maklum balas. Bagi penguat Integrator, perintang maklum balas diubah dengan kapasitor.

Pada gambar di atas, litar integrator asas ditunjukkan dengan tiga komponen ringkas. Perintang R1 dan kapasitor C1 disambungkan melintasi penguat. Penguat berada dalam konfigurasi Pembalikan.

Keuntungan Op-amp adalah Tak Terbatas, oleh itu input Pembalik penguat adalah landasan maya. Apabila voltan digunakan di R1, arus mula mengalir melalui perintang kerana kapasitor mempunyai rintangan yang sangat rendah. Kapasitor disambungkan dalam kedudukan maklum balas dan rintangan kapasitor tidak signifikan.

Pada keadaan ini, jika nisbah penguat pengiraan dikira, hasilnya akan kurang daripada kesatuan. Ini kerana nisbah keuntungan, X _C / R ₁ terlalu kecil. Secara praktikal, kapasitor mempunyai rintangan yang sangat rendah antara plat dan apa sahaja nilai yang dipegang oleh R1, hasil output X _C / R ₁ akan sangat rendah.

Kapasitor mula diisi oleh voltan masukan dan dalam nisbah yang sama, impedans kapasitor juga mula meningkat. Kadar pengisian ditentukan oleh pemalar masa RC R1 dan C1. Bumi maya op-amp kini terhambat dan maklum balas negatif akan menghasilkan voltan output di seluruh op-amp untuk mengekalkan keadaan bumi maya di seluruh input.

Op-amp menghasilkan output tanjakan sehingga kapasitor terisi penuh. Kapasitor mengecas arus menurun dengan pengaruh perbezaan potensi antara bumi Maya dan output negatif.

Mengira Voltan Keluaran Litar Integrator Op-amp

Mekanisme lengkap yang dijelaskan di atas dapat dijelaskan dengan menggunakan pembentukan matematik.

Mari lihat gambar di atas. IR1 adalah arus yang mengalir melalui perintang. G adalah landasan maya. Ic1 adalah arus yang mengalir melalui kapasitor.

Sekiranya undang-undang Kirchhoff semasa diterapkan di persimpangan G, yang merupakan landasan maya, iR1 akan menjadi jumlah arus yang masuk di terminal Pembalik (pin Op-amp 2) dan arus yang melewati Kapasitor C1.

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

Oleh kerana op-amp adalah op-amp yang ideal dan simpul G adalah landasan maya, arus tidak mengalir melalui terminal pembalik op-amp. Oleh itu, saya _{membalikkan terminal} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kapasitor C1 mempunyai hubungan voltan-arus. Formulanya ialah -

I _C = C (dV _C / dt)

Sekarang mari kita gunakan formula ini dalam senario praktikal. The

Litar Integrator asas, yang ditunjukkan sebelumnya, mempunyai kekurangan. Kapasitor menyekat DC dan kerana ini, keuntungan DC dari litar Op-Amp menjadi Tak Terbatas. Oleh itu, sebarang voltan DC pada Op-amp Input, memenuhi output Op-amp. Untuk mengatasi masalah ini, rintangan dapat ditambahkan selari dengan kapasitor. Perintang menghadkan keuntungan DC litar.

Op-Amp dalam konfigurasi Integrator memberikan output yang berbeza dalam jenis isyarat input yang berbeza. Kelakuan output penguat Integrator berbeza dalam setiap kes input gelombang sinus, input gelombang persegi atau input gelombang segitiga.

Perilaku Integrator Op-amp pada input Gelombang Persegi

Sekiranya gelombang persegi diberikan sebagai input kepada Integrator Amplifier, output yang dihasilkan akan menjadi gelombang segitiga atau gelombang gigi gergaji. Dalam kes sedemikian, litar dipanggil penjana Ramp. Dalam gelombang persegi, tahap voltan berubah dari Rendah ke Tinggi atau tinggi ke rendah, yang menjadikan kapasitor dikenakan atau habis.

Semasa puncak positif gelombang persegi, arus mula mengalir melalui perintang dan pada peringkat seterusnya, arus mengalir melalui kapasitor. Oleh kerana aliran semasa melalui op-amp adalah sifar, kapasitor akan dicas. Perkara terbalik akan berlaku semasa puncak negatif input gelombang persegi. Untuk frekuensi tinggi, kapasitor memerlukan masa yang sangat minimum untuk mengisi penuh.

Kadar pengisian dan pelepasan bergantung pada kombinasi perintang-kapasitor. Untuk integrasi yang sempurna, frekuensi atau masa berkala gelombang persegi input harus kurang daripada pemalar masa litar, yang disebut sebagai: T harus kurang dari atau sama dengan CR (T <= CR).

Litar penjana gelombang persegi boleh digunakan untuk menghasilkan gelombang persegi.

Tingkah Laku Integrator Op-amp pada input Gelombang Sine

Sekiranya input melintasi litar Integrator berasaskan op-amp adalah gelombang sinus, op-amp dalam konfigurasi integrator menghasilkan gelombang sinus fasa 90 darjah di seluruh output. Ini dipanggil gelombang kosinus. Semasa keadaan ini, apabila input adalah gelombang sinus, litar integrator bertindak sebagai penapis lulus rendah yang aktif.

Seperti yang dibincangkan sebelumnya, bahawa dalam frekuensi rendah atau dalam DC, kapasitor menghasilkan arus penyekat yang akhirnya mengurangkan maklum balas dan tepu voltan keluaran. Dalam kes sedemikian, perintang disambungkan selari dengan kapasitor. Perintang tambahan ini memberikan jalan maklum balas.

Dalam gambar di atas, perintang tambahan R2 disambungkan selari dengan kapasitor C1. Gelombang sinus keluaran 90 darjah di luar fasa.

Kekerapan sudut litar akan

Fc = 1 / 2πCR2

Dan keuntungan DC keseluruhan dapat dikira menggunakan -

Keuntungan = -R2 / R1

Litar penjana gelombang sinus boleh digunakan untuk menghasilkan gelombang sinus untuk input integrator.

Perilaku Integrator Op-amp pada input Gelombang Segitiga

Dalam input gelombang segitiga, op-amp sekali lagi menghasilkan gelombang sinusoidal. Oleh kerana penguat bertindak sebagai penapis lulus rendah, harmonik frekuensi tinggi dikurangkan. Gelombang sinus output hanya terdiri daripada harmonik frekuensi rendah dan kehendak output dengan amplitud rendah.

Aplikasi Op-amp Integrator

Integrator adalah bahagian penting dari instrumentasi dan digunakan dalam penjanaan Ramp.
Dalam fungsi generator, rangkaian integrator digunakan untuk menghasilkan gelombang segitiga.
Integrator digunakan dalam rangkaian pembentuk gelombang seperti penguat cas yang berbeza.
Ia digunakan dalam komputer analog, di mana integrasi perlu dilakukan menggunakan rangkaian analog.
Litar integrator juga banyak digunakan dalam penukar analog ke digital.
Sensor yang berbeza juga menggunakan integrator untuk menghasilkan semula output yang berguna.