Operationsforstærker integratorkredsløb: konstruktion, arbejde og applikationer

Op-amp eller operationel forstærker er rygraden i Analog Electronics og ud af mange applikationer, såsom Summing Forstærker, differentialforstærker, Instrumentationsforstærker, Op-Amp kan også bruges som integrator, som er et meget nyttigt kredsløb i analog relateret applikation.

I enkle Op-Amp-applikationer er output proportional med inputamplitude. Men når op-amp er konfigureret som en integrator, overvejes også varigheden af indgangssignalet. Derfor kan en op-amp-baseret integrator udføre matematisk integration med hensyn til tid. Den integrator frembringer en udgangsspænding over op-amp, som er direkte proportional med integralet af indgangsspændingen; derfor afhænger udgangen af indgangsspændingen over en periode.

Konstruktion og bearbejdning af Op-amp Integrator Circuit

Op-amp er meget udbredt komponent i elektronik og bruges til at opbygge mange nyttige forstærkerkredsløb.

Opbygningen af et simpelt integratorkredsløb ved hjælp af op-amp kræver to passive komponenter og en aktiv komponent. De to passive komponenter er modstand og kondensator. Modstanden og kondensatoren danner et første-ordens lavpasfilter over den aktive komponent Op-Amp. Integratorkredsløb er nøjagtigt modsat af Op-amp-differentieringskredsløb.

En simpel Op-amp-konfiguration består af to modstande, der skaber en feedbacksti. I tilfælde af integratorforstærker ændres feedbackmodstanden med en kondensator.

I ovenstående billede vises et grundlæggende integratorkredsløb med tre enkle komponenter. Modstanden R1 og kondensatoren C1 er forbundet over forstærkeren. Forstærkeren er i inverterende konfiguration.

Op-forstærker er uendelig, derfor er forstærkerens inverterende input en virtuel jord. Når en spænding påføres over R1, begynder strømmen at strømme gennem modstanden, da kondensatoren har meget lav modstand. Kondensatoren er forbundet i feedback-positionen, og kondensatorens modstand er ubetydelig.

I denne situation, hvis forstærkerforstærkningsforholdet beregnes, vil resultatet være mindre end enheden. Dette skyldes, at forstærkningsreguleringsenheden, X _C / R ₁ er for lille. Praksis den kondensator har meget lav modstand mellem pladerne og uanset værdi R1 holder, output resultat af X _C / R ₁ vil være meget lav.

Kondensatoren begynder at oplades af indgangsspændingen, og i samme forhold begynder kondensatorimpedansen også at stige. Opladningshastigheden bestemmes af RC - tidskonstanten på R1 og C1. Op-amp virtuel jord er nu hæmmet, og den negative feedback vil producere en udgangsspænding over op-amp for at opretholde den virtuelle jordtilstand på tværs af input.

Op-forstærkeren producerer en rampeudgang, indtil kondensatoren bliver fuldt opladet. Kondensatorens ladestrøm falder med indflydelsen af den potentielle forskel mellem den virtuelle jord og den negative output.

Beregning af udgangsspændingen for Op-amp Integrator Circuit

Den komplette mekanisme, der er forklaret ovenfor, kan beskrives ved hjælp af matematisk dannelse.

Lad os se ovenstående billede. IR1 er strømmen, der strømmer gennem modstanden. G er den virtuelle grund. Ic1 er strømmen, der strømmer gennem kondensatoren.

Hvis Kirchhoffs nuværende lov anvendes over krydset G, som er en virtuel jord, vil iR1 være summen af strøm, der kommer ind i den inverterende terminal (Op-amp pin 2) og strømmen, der passerer gennem kondensatoren C1.

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

Da op-forstærkeren er en ideel op-forstærker og G-noden er en virtuel jord, strømmer ingen strøm gennem op-forstærkerens inverterende terminal. Derfor er jeg _{inverterende terminal} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensatoren C1 har et spændings-strøm-forhold. Formlen er -

I _C = C (dV _C / dt)

Lad os nu anvende denne formel i et praktisk scenario. Det

Det grundlæggende integratorkredsløb, som er vist tidligere, har en ulempe. Kondensatoren blokerer jævnstrømmen, og på grund af dette bliver jævnstrømforstærkningen af Op-Amp-kredsløbet uendelig. Derfor mætter enhver DC-spænding ved Op-amp-indgangen op-amp-output. For at overvinde dette problem kan modstand tilføjes parallelt med kondensatoren. Modstanden begrænser kredsløbets DC-forstærkning.

Op-Amp i integratorkonfiguration giver forskellige output i en anden type skiftende indgangssignal. Outputadfærden for en integratorforstærker er forskellig i hvert tilfælde af sinusbølgeindgang, firkantbølgeindgang eller trekantet bølgeindgang.

Op-amp Integrator Adfærd ved Square Wave input

Hvis firkantbølgen leveres som input til integratorforstærker, vil den producerede output være en trekantet bølge eller savtandbølge. I et sådant tilfælde kaldes kredsløbet en rampegenerator. I firkantet bølge ændres spændingsniveauer fra lav til høj eller høj til lav, hvilket får kondensatoren til at blive opladet eller afladet.

Under den firkantbølges positive top begynder strømmen at strømme gennem modstanden og i næste trin strømmer strømmen gennem kondensatoren. Da strømmen gennem op-amp er nul, oplades kondensatoren. Den omvendte ting vil ske under den negative top af firkantbølgeindgangen. For en høj frekvens får kondensatoren meget minimal tid til fuld opladning.

Den opladning og afladning sats afhænger modstand-kondensator-kombination. For perfekt integration skal frekvensen eller den periodiske tid af den firkantede indgangsbølge være mindre end kredsløbets tidskonstant, der kaldes: T skal være mindre end eller lig med CR (T <= CR).

Firkantbølgegenerator kredsløb kan bruges til at producere firkantede bølger.

Op-amp Integrator Behavior on Sine Wave input

Hvis input over et op-amp-baseret integratorkredsløb er en sinusbølge, producerer Op-amp i integratorkonfiguration en 90 graders fase ud sinusbølge over output. Dette kaldes en cosinusbølge. I denne situation, når indgangen er en sinusbølge, fungerer integratorkredsløbet som et aktivt lavpasfilter.

Som tidligere diskuteret producerer kondensatoren i lav frekvens eller i DC en blokeringsstrøm, som til sidst reducerer feedbacken og udgangsspændingsmættet. I et sådant tilfælde er en modstand forbundet parallelt med kondensatoren. Denne tilføjede modstand giver en feedbacksti.

I ovenstående billede er en yderligere modstand R2 forbundet parallelt med kondensatoren Cl. Udgangssinusbølgen er 90 grader ude af fase.

Hjørnes frekvens på kredsløbet vil være

Fc = 1 / 2πCR2

Og den samlede DC-forstærkning kan beregnes ved hjælp af -

Forstærkning = -R2 / R1

Sinusbølgenerator kredsløb kan bruges til at generere sinusbølger til integratorindgang.

Op-amp Integrator Adfærd ved Triangular Wave input

I trekantet bølgeindgang producerer op-amp igen en sinusformet bølge. Da forstærkeren fungerer som et lavpasfilter, reduceres højfrekvensovertonerne kraftigt. Udgangssinusbølgen består kun af lavfrekvente harmoniske og output vil med lav amplitude.

Anvendelser af Op-amp Integrator

Integrator er en vigtig del af instrumenteringen og bruges i generering af rampe.
I funktionsgenerator bruges integratorkredsløbet til at producere den trekantede bølge.
Integrator bruges i bølgeformningskredsløb, såsom en anden slags opladningsforstærker.
Det bruges i analoge computere, hvor integration er nødvendig for at gøre det ved hjælp af det analoge kredsløb.
Integratorkredsløb bruges også i vid udstrækning i analog til den digitale konverter.
Forskellige sensorer bruger også en integrator til at gengive nyttige output.