- Konstrukcija in delovanje integratorskega vezja op-amp
- Izračun izhodne napetosti integriranega vezja Op-amp
- Obnašanje integratorja op-amp na vhodu kvadratnega vala
- Obnašanje integratorja op-amp na vhodu sinusnega vala
- Obnašanje integratorja op-amp na vhodu trikotnega vala
- Aplikacije Op-amp Integratorja
Op-amp ali operacijski ojačevalnik je hrbtenica analogne elektronike in se med številnimi aplikacijami, kot so seštevalni ojačevalnik, diferencialni ojačevalnik, instrumentacijski ojačevalnik, Op-Amp lahko uporablja tudi kot integrator, kar je zelo uporabno vezje v analogni aplikaciji.
V preprostih aplikacijah Op-Amp je izhod sorazmeren vhodni amplitudi. Ko pa je op-amp nastavljen kot integrator, se upošteva tudi trajanje vhodnega signala. Zato lahko integrator, ki temelji na op-amp, izvede matematično integracijo glede na čas. Integrator proizvaja izhodno napetost na op-amp, ki je neposredno sorazmerna integral vhodne napetosti; zato je izhod v določenem časovnem obdobju odvisen od vhodne napetosti.
Konstrukcija in delovanje integratorskega vezja op-amp
Op-amp je zelo razširjena komponenta v elektroniki in se uporablja za izdelavo številnih uporabnih ojačevalnih vezij.
Za izdelavo enostavnega integratorskega vezja z uporabo op-amp potrebujemo dve pasivni komponenti in eno aktivno komponento. Dve pasivni komponenti sta upor in kondenzator. Upor in kondenzator tvorita nizkopropusni filter prvega reda skozi aktivno komponento Op-Amp. Integratorsko vezje je ravno v nasprotju z diferencialnim vezjem Op-amp.
Preprosta konfiguracija Op-amp je sestavljena iz dveh uporov, kar ustvarja povratno pot. V primeru ojačevalnika Integrator se povratni upor spremeni s kondenzatorjem.
Na zgornji sliki je prikazano osnovno integratorsko vezje s tremi preprostimi komponentami. Upor R1 in kondenzator C1 sta povezana prek ojačevalnika. Ojačevalnik je v obrnjeni konfiguraciji.
Dobiček op-amp je neskončen, zato je invertirni vhod ojačevalnika navidezno ozemljitev. Ko napetost deluje na R1, tok začne teči skozi upor, saj ima kondenzator zelo majhen upor. Kondenzator je povezan v povratnem položaju in upor kondenzatorja je nepomemben.
Če je v tem primeru izračunano razmerje ojačenja ojačevalnika, bo rezultat manjši od enotnosti. To je zato, ker je razmerje ojačenja X C / R 1 premajhno. Praktično ima kondenzator zelo majhen upor med ploščami in ne glede na vrednost R1 bo izhodni rezultat X C / R 1 zelo nizek.
Kondenzator se začne polniti z vhodno napetostjo in v enakem razmerju se začne povečevati tudi impedanca kondenzatorja. Hitrost polnjenja določa RC - časovna konstanta R1 in C1. Navidezna zemlja op-amp-a je zdaj ovirana in negativne povratne informacije bodo povzročile izhodno napetost na op-amp-u, da se ohrani stanje navidezne zemlje čez vhod.
Op-amp proizvaja ramp izhod, dokler se kondenzator popolnoma napolni. Kondenzatorski polnilni tok se zmanjša zaradi vpliva potencialne razlike med virtualno zemljo in negativnim izhodom.
Izračun izhodne napetosti integriranega vezja Op-amp
Celoten mehanizem, razložen zgoraj, lahko opišemo z uporabo matematične formacije.Poglejmo zgornjo sliko. IR1 je tok, ki teče skozi upor. G je virtualno tle. Ic1 je tok, ki teče skozi kondenzator.
Če se sedanji Kirchhoffov zakon uporablja čez križišče G, ki je navidezno ozemljitev, bo iR1 vsota trenutnega vhoda v invertirni terminal (Op-amp 2) in toka, ki teče skozi kondenzator C1.
iR 1 = i invertirni terminal + iC 1
Ker je op-amp idealen op-amp, vozlišče G pa navidezno ozemljitev, skozi invertirni terminal op-amp-a ne teče tok. Zato i obrnem terminal = 0
iR 1 = iC 1
Kondenzator C1 ima napetostno-tokovno razmerje. Formula je -
I C = C (dV C / dt)
Zdaj pa uporabimo to formulo v praktičnem scenariju. The
Osnovno integracijsko vezje, ki je bilo prikazano prej, ima pomanjkljivost. Kondenzator blokira enosmerni tok in zaradi tega postane enosmerni dobiček vezja Op-Amp neskončen. Zato vsaka enosmerna napetost na vhodu Op-amp nasiči izhod Op-amp. Da bi odpravili to težavo, lahko vzporedno s kondenzatorjem dodamo upor. Upor omejuje enosmerni dobiček vezja.
Op-amp v konfiguraciji Integratorja nudi drugačen izhod pri različnih vrstah spreminjajočega se vhodnega signala. Izhodno vedenje ojačevalnika Integrator je v vsakem primeru drugačno pri vhodu s sinusnim valom, vhodu s kvadratnim valom ali trikotnim valom.
Obnašanje integratorja op-amp na vhodu kvadratnega vala
Če je kvadratni val predviden kot vhod v ojačevalnik Integrator, bo izhodni izhod trikotni val ali žagin zobni val. V takem primeru se vezje imenuje Ramp generator. V kvadratnem valu se napetost spreminja iz nizke v visoko ali visoko v nizko, zaradi česar se kondenzator napolni ali izprazni.
Med pozitivnim vrhom kvadratnega vala začne tok teči skozi upor, v naslednji fazi pa tok teče skozi kondenzator. Ker je tok toka skozi op-amp nič, se kondenzator napolni. Med negativnim vrhom vhoda kvadratnega vala se bo zgodilo obratno. Za visoko frekvenco kondenzator dobi zelo minimalen čas, da se popolnoma napolni.
Hitrost polnjenja in praznjenja je odvisna od kombinacije upor-kondenzator. Za popolno integracijo mora biti frekvenca ali periodični čas vhodnega kvadratnega vala manjša od časovne konstante vezja, ki se imenuje: T mora biti manjši ali enak CR (T <= CR).
Vezje generatorja kvadratnih valov se lahko uporablja za izdelavo kvadratnih valov.
Obnašanje integratorja op-amp na vhodu sinusnega vala
Če je vhod v integrirano vezje na osnovi op-amp sinusni val, op-amp v konfiguraciji integratorja ustvari 90-stopinjski fazni sinusni val čez izhod. To se imenuje kosinusni val. V tem primeru, ko je vhod sinusni val, deluje integracijsko vezje kot aktivni nizkoprepustni filter.
Kot smo že omenili, kondenzator pri nizki frekvenci ali enosmernem toku proizvaja blokirni tok, ki sčasoma zmanjša povratne informacije in nasičena izhodna napetost. V takem primeru je upor vzporedno povezan s kondenzatorjem. Ta dodani upor zagotavlja povratno pot.
Na zgornji sliki je vzporedno s kondenzatorjem C1 povezan dodatni upor R2. Izhodni sinusni val je 90 stopinj izven faze.
Vogalna frekvenca vezja bo
Fc = 1 / 2πCR2
In celoten dobiček enosmernega toka lahko izračunamo z uporabo -
Dobiček = -R2 / R1
Vezje generatorja sinusnih valov se lahko uporablja za generiranje sinusnih valov za vhod integratorja.
Obnašanje integratorja op-amp na vhodu trikotnega vala
Pri vhodu s trikotnim valom op-amp spet ustvari sinusni val. Ker ojačevalnik deluje kot nizkoprepustni filter, se visokofrekvenčni harmoniki močno zmanjšajo. Izhodni sinusni val je sestavljen le iz nizkofrekvenčnih harmonikov, izhodna volja pa bo nizke amplitude.
Aplikacije Op-amp Integratorja
- Integrator je pomemben del instrumentacije in se uporablja pri generiranju ramp.
- V funkcijskem generatorju se integratorsko vezje uporablja za izdelavo trikotnega vala.
- Integrator se uporablja v vezju za oblikovanje valov, kot je drugačen ojačevalnik naboja.
- Uporablja se v analognih računalnikih, kjer je treba integracijo izvesti z uporabo analognega vezja.
- Vezje integratorja se pogosto uporablja tudi v analognem digitalnem pretvorniku.
- Različni senzorji uporabljajo tudi integrator za reprodukcijo koristnih izhodov.