Схема на интегратор на операционен усилвател: конструкция, работа и приложения

Операционният усилвател или операционният усилвател е гръбнакът на аналоговата електроника и от много приложения, като Сумиращ усилвател, диференциален усилвател, Инструментален усилвател, Op-Amp може също да се използва като интегратор, което е много полезна схема в аналогово свързано приложение.

В прости приложения Op-Amp изходът е пропорционален на амплитудата на входа. Но когато оп-усилвателят е конфигуриран като интегратор, се взема предвид и продължителността на входния сигнал. Следователно, базиран на операционната система интегратор може да извърши математическа интеграция по отношение на времето. В интегратор произвежда изходното напрежение през операционен усилвател, който е пряко пропорционална на интеграла на входното напрежение; следователно изходът зависи от входното напрежение за определен период от време.

Изграждане и работа на интеграторна схема на усилвател

Op-amp е много широко използван компонент в електрониката и се използва за изграждане на много полезни усилвателни вериги.

Изграждането на проста интеграторна схема, използваща оп-усилвател, изисква два пасивни компонента и един активен компонент. Двата пасивни компонента са резистор и кондензатор. Резисторът и кондензаторът образуват нискочестотен филтър от първи ред през активния компонент Op-Amp. Интеграторната схема е точно противоположна на Op-amp диференциращата верига.

Простата конфигурация на Op-amp се състои от два резистора, което създава обратна връзка. В случай на усилвател Integrator, резисторът с обратна връзка се сменя с кондензатор.

На горното изображение е показана основна интеграторна схема с три прости компонента. Резисторът R1 и кондензаторът C1 са свързани през усилвателя. Усилвателят е в инвертираща конфигурация.

Усилването на Op-amp е безкрайно, следователно инвертиращият вход на усилвателя е виртуална земя. Когато напрежението е приложено през R1, токът започва да тече през резистора, тъй като кондензаторът има много ниско съпротивление. Кондензаторът е свързан в положение за обратна връзка и съпротивлението на кондензатора е незначително.

При тази ситуация, ако се изчисли коефициентът на усилване на усилвателя, резултатът ще бъде по-малък от единицата. Това е така, защото коефициентът на усилване X _C / R ₁ е твърде малък. На практика кондензаторът има много ниско съпротивление между плочите и независимо от стойността R1, резултатът от изхода на X _C / R ₁ ще бъде много нисък.

Кондензаторът започва да се зарежда от входното напрежение и в същото съотношение импедансът на кондензатора също започва да се увеличава. Скоростта на зареждане се определя от RC - времевата константа на R1 и C1. Виртуалната земя на операционния усилвател вече е затруднена и отрицателната обратна връзка ще произведе изходно напрежение в операционния усилвател, за да поддържа състоянието на виртуалната земя на входа.

Op-усилвателят произвежда изходен сигнал, докато кондензаторът се зареди напълно. Кондензаторът зарежда ток намалява от влиянието на потенциалната разлика между виртуалната земя и отрицателния изход.

Изчисляване на изходното напрежение на интеграторната верига на Op-amp

Пълният механизъм, обяснен по-горе, може да бъде описан с помощта на математическа формация.

Нека видим горното изображение. IR1 е токът, протичащ през резистора. G е виртуалната земя. Ic1 е токът, протичащ през кондензатора.

Ако текущият закон на Kirchhoff се приложи през кръстовището G, което е виртуално заземяване, iR1 ще бъде сумата от тока, влизащ в инвертиращия терминал (Op-amp 2) и тока, преминаващ през кондензатора C1.

iR ₁ = i _{инвертиращ терминал} + iC ₁

Тъй като операционният усилвател е идеален операционен усилвател, а G възелът е виртуална земя, през инвертиращия терминал на операционния усилвател не тече ток. Следователно, аз _{обръщам терминал} = 0

iR ₁ = iC ₁

Кондензаторът С1 има отношение напрежение-ток. Формулата е -

I _C = C (dV _C / dt)

Сега нека приложим тази формула в практически сценарий. The

Основната схема на интегратора, която е показана по-рано, има недостатък. Кондензаторът блокира постояннотока и поради това усилването на постояннотока на Op-Amp веригата става безкрайно. Следователно, всяко DC напрежение на входа на Op-amp, насища изхода на Op-amp. За да се преодолее този проблем, паралелно с кондензатора може да се добави съпротивление. Резисторът ограничава постояннотоковото усилване на веригата.

Op-Amp в конфигурацията на Integrator осигурява различен изход при различен тип променящ се входен сигнал. Изходното поведение на интеграторния усилвател е различно във всеки случай на вход на синусоида, вход на квадратна вълна или триъгълна вълна.

Поведение на интегратора на Op-amp на входа на квадратна вълна

Ако квадратната вълна е предоставена като вход към интеграторния усилвател, произведената изходна мощност ще бъде триъгълна вълна или вълна на трион. В такъв случай веригата се нарича генератор на рампа. При квадратна вълна нивата на напрежение се променят от ниско на високо или високо на ниско, което прави кондензатора зареден или разреден.

По време на положителния пик на квадратната вълна токът започва да тече през резистора и на следващия етап токът преминава през кондензатора. Тъй като текущият поток през операционния усилвател е нула, кондензаторът се зарежда. Обратното ще се случи по време на отрицателния пик на входа на квадратната вълна. За висока честота кондензаторът получава много минимално време за пълно зареждане.

Скоростта на зареждане и разреждане зависи от комбинацията резистор-кондензатор. За перфектно интегриране, честотата или периодичното време на входната квадратна вълна трябва да бъде по-малко от константата на времето на веригата, което се нарича: T трябва да бъде по-малко или равно на CR (T <= CR).

Схемата на генератора на квадратни вълни може да се използва за производство на квадратни вълни.

Поведение на интегратора на Op-amp на входа на синусоида

Ако входът в интеграторната верига, базирана на оп-усилвател, е синусоида, Op-усилвателят в конфигурацията на интегратора произвежда 90 градуса извън фаза синусоида в изхода. Това се нарича косинусова вълна. По време на тази ситуация, когато входът е синусоида, интеграторната схема действа като активен нискочестотен филтър.

Както беше обсъдено по-рано, че при ниска честота или в постоянен ток, кондензаторът произвежда блокиращ ток, който в крайна сметка намалява обратната връзка и изходното напрежение се насища. В такъв случай резистор е свързан паралелно с кондензатор. Този добавен резистор осигурява обратна връзка.

В горното изображение допълнителен резистор R2 е свързан паралелно с кондензатора C1. Изходната синусоида е 90 градуса извън фазата.

Честотата на ъгъла на веригата ще бъде

Fc = 1 / 2πCR2

И общата печалба DC може да се изчисли, като се използва -

Печалба = -R2 / R1

Схемата на генератора на синусоидални вълни може да се използва за генериране на синусоидални вълни за вход на интегратора.

Поведение на интегратора на Op-amp на входа на триъгълна вълна

При входа на триъгълна вълна оп-усилвателят отново произвежда синусоидална вълна. Тъй като усилвателят действа като нискочестотен филтър, високочестотните хармоници са силно намалени. Изходната синусоида се състои само от нискочестотни хармоници, а изходната воля с ниска амплитуда.

Приложения на Op-amp Integrator

Интеграторът е важна част от инструментариума и се използва при генериране на рампи.
При генератора на функции интеграторната схема се използва за генериране на триъгълна вълна.
Интеграторът се използва във верига за оформяне на вълни, като например различен вид усилвател на заряда.
Използва се в аналогови компютри, където е необходимо интегриране да се извърши с помощта на аналоговата схема.
Схемата на интегратора също се използва широко в аналоговия към цифровия преобразувател.
Различните сензори също използват интегратор за възпроизвеждане на полезни изходи.