Operational amplifier integrator circuit: konstruksyon, pagtatrabaho at mga aplikasyon

Ang Op-amp o Operational Amplifier ay ang gulugod ng Analog Electronics at wala sa maraming mga application, tulad ng Summing Amplifier, kaugaliang amplifier, Instrumentation Amplifier, Op-Amp ay maaari ding magamit bilang integrator na kung saan ay isang napaka kapaki-pakinabang na circuit sa analog na may kaugnayan sa application.

Sa simpleng mga aplikasyon ng Op-Amp, ang output ay proporsyonal sa amplitude ng pag-input. Ngunit kapag ang op-amp ay na-configure bilang isang integrator, isinasaalang-alang din ang tagal ng input signal. Samakatuwid, ang isang op-amp based integrator ay maaaring magsagawa ng pagsasama ng matematika na may paggalang sa oras. Ang integrator ay gumagawa ng isang output boltahe sa op-amp, na direktang proporsyonal sa integral ng input boltahe; samakatuwid ang output ay nakasalalay sa input boltahe sa loob ng isang panahon.

Pagtatayo at Paggawa ng Op-amp Integrator Circuit

Ang Op-amp ay napakalawak na ginagamit na sangkap sa Electronics at ginagamit upang bumuo ng maraming mga kapaki-pakinabang na circuit ng amplifier.

Ang pagtatayo ng simpleng Integrator circuit gamit ang op-amp ay nangangailangan ng dalawang passive na bahagi at isang aktibong sangkap. Ang dalawang mga passive na sangkap ay resistor at capacitor. Ang Resistor at ang Capacitor ay bumubuo ng isang first-order low pass filter sa kabuuan ng aktibong bahagi ng Op-Amp. Ang Integrator circuit ay eksaktong kabaligtaran ng Op-amp differentiator circuit.

Ang isang simpleng pagsasaayos ng Op-amp ay binubuo ng dalawang resistors, na lumilikha ng isang path ng feedback. Sa kaso ng Integrator amplifier, ang resistor ng feedback ay binago gamit ang isang kapasitor.

Sa imahe sa itaas, ang isang pangunahing circuit ng integrator ay ipinapakita na may tatlong simpleng mga bahagi. Ang risistor R1 at capacitor C1 ay konektado sa buong amplifier. Ang amplifier ay nasa Inverting config.

Ang pagkakaroon ng Op-amp ay Walang Hanggan, samakatuwid ang Inverting input ng amplifier ay isang virtual ground. Kapag ang isang boltahe ay inilapat sa buong R1, ang kasalukuyang pagsisimula upang dumaloy sa pamamagitan ng risistor dahil ang kapasitor ay may napakababang paglaban. Ang capacitor ay konektado sa posisyon ng feedback at ang paglaban ng capacitor ay hindi gaanong mahalaga.

Sa sitwasyong ito, kung kinakalkula ang ratio ng makakuha ng amplifier, ang resulta ay magiging mas mababa sa pagkakaisa. Ito ay dahil sa ang ratio ng pakinabang, ang X _C / R ₁ ay masyadong maliit. Sa praktikal, ang capacitor ay may napakababang paglaban sa pagitan ng mga plate at kung ano man ang halagang hinahawakan ng R1, ang resulta ng output ng X _C / R ₁ ay magiging napakababa.

Ang capacitor ay nagsisimulang singilin ng input boltahe at sa parehong ratio, nagsisimulang tumaas din ang impedance ng capacitor. Ang rate ng pagsingil ay natutukoy ng RC - pare-pareho ang oras ng R1 at C1. Ang op-amp virtual na lupa ay humadlang ngayon at ang negatibong feedback ay makakapagdulot ng isang output boltahe sa kabuuan ng op-amp upang mapanatili ang kalagayang virtual na lupa sa buong input.

Ang Op-amp ay gumagawa ng isang output ng rampa hanggang sa ganap na masingil ang capacitor. Ang kasalukuyang singil ng capacitor ay bumababa ng impluwensya ng potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng Virtual na lupa at ng negatibong output.

Kinakalkula ang Output Voltage ng Op-amp Integrator Circuit

Ang kumpletong mekanismo na ipinaliwanag sa itaas ay maaaring mailarawan sa pamamagitan ng paggamit ng pagbuo ng matematika.

Tingnan natin ang imahe sa itaas. Ang iR1 ay ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng risistor. Ang G ay ang virtual ground. Ang Ic1 ay ang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng capacitor.

Kung ang kasalukuyang batas ni Kirchhoff ay inilapat sa buong junction G, na isang virtual ground, ang iR1 ay ang kabuuan ng kasalukuyang pagpasok sa Inverting terminal (Op-amp pin 2) at ang kasalukuyang dumadaan sa Capacitor C1.

iR ₁ = _{inverting terminal} + iC ₁

Dahil ang op-amp ay isang perpektong op-amp at ang G node ay isang virtual na lupa, walang kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng inverting terminal ng op-amp. Samakatuwid, _binabaliktad ko ang _terminal = 0

iR ₁ = iC ₁

Ang capacitor C1 ay may isang boltahe-kasalukuyang relasyon. Ang pormula ay -

I _C = C (dV _C / dt)

Ilapat natin ngayon ang formula na ito sa isang praktikal na senaryo. Ang

Ang pangunahing Integrator circuit, na ipinakita dati, ay may sagabal. Pinipigilan ng capacitor ang DC at dahil dito, ang nakuha ng DC ng Op-Amp circuit ay naging Infinite. Samakatuwid, ang anumang DC boltahe sa Op-amp Input, binubusog ang output ng Op-amp. Upang mapagtagumpayan ang problemang ito, maaaring idagdag ang paglaban kahanay sa capacitor. Nililimitahan ng risistor ang nakuha ng DC ng circuit.

Ang Op-Amp sa pagsasaayos ng Integrator ay nagbibigay ng iba't ibang output sa isang iba't ibang uri ng pagbabago ng input signal. Ang pag-uugali ng output ng isang Integrator amplifier ay magkakaiba sa bawat kaso ng Sine wave input, square wave input o triangular wave input.

Pag-uugali ng Op-amp Integrator sa input ng Square Wave

Kung ang parisukat na alon ay ibinibigay bilang isang input sa Integrator Amplifier, ang ginawa na output ay isang tatsulok na alon o nakita ang alon ng ngipin. Sa ganitong kaso, ang circuit ay tinatawag na isang Ramp generator. Sa square wave, ang mga antas ng boltahe ay nagbabago mula Mababa patungo sa Mataas o mataas hanggang sa mababa, na ginagawang sisingilin o natapos ang kapasitor.

Sa panahon ng positibong rurok ng square square, ang kasalukuyang pagsisimula upang dumaloy sa pamamagitan ng risistor at sa susunod na yugto, ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng capacitor. Dahil ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng op-amp ay zero, sisingilin ang capacitor. Mangyayari ang baligtad na bagay sa panahon ng negatibong tuktok ng pag-input ng square wave. Para sa isang mataas na dalas, nakakakuha ang kapasitor ng napakaliit na oras upang ganap na singilin.

Ang rate ng pagsingil at paglabas ay nakasalalay sa kumbinasyon ng resistor-capacitor. Para sa perpektong pagsasama, ang dalas o pana-panahong oras ng pag-input square square ay kailangang mas mababa sa pare-pareho ng oras ng circuit, na tinukoy bilang: T ay dapat na mas mababa sa o katumbas ng CR (T <= CR).

Maaaring gamitin ang square wave generator circuit upang makagawa ng mga square wave.

Pag-uugali ng Op-amp Integrator sa input ng Sine Wave

Kung ang pag-input sa kabuuan ng isang op-amp based na Integrator circuit ay isang sine wave, ang Op-amp sa pagsasama-sama ng integrator ay gumagawa ng isang 90 degree mula sa phase sine wave sa buong output. Ito ay tinatawag na isang cosine alon. Sa panahon ng sitwasyong ito, kapag ang input ay isang sine wave, ang integrator circuit ay kumikilos bilang isang aktibong low pass filter.

Tulad ng tinalakay dati, na sa mababang dalas o sa DC, ang capacitor ay gumagawa ng isang kasalukuyang pag-block na sa kalaunan ay binabawasan ang feedback at ang output boltahe saturate. Sa ganitong kaso, ang isang risistor ay konektado kahanay sa kapasitor. Ang idinagdag na risistor ay nagbibigay ng isang path ng feedback.

Sa imahe sa itaas, ang isang karagdagang risistor R2 ay konektado kahanay sa capacitor C1. Ang output sine wave ay 90 degree out of phase.

Ang dalas ng sulok ng circuit ay magiging

Fc = 1 / 2πCR2

At ang pangkalahatang pakinabang sa DC ay maaaring kalkulahin gamit ang -

Makuha = -R2 / R1

Maaaring gamitin ang circuit ng generator ng sinus na alon upang makabuo ng mga sine wave para sa input ng integrator.

Pag-uugali ng Op-amp Integrator sa input ng Triangular Wave

Sa tatsulok na pag-input ng alon, ang op-amp ay muling gumagawa ng isang sinusoidal na alon. Bilang ang amplifier ay kumikilos bilang isang mababang pass filter, ang mga high-frequency na harmonika ay lubos na nabawasan. Ang output sine wave ay binubuo lamang ng mga low-frequency harmonics at ang output will ng mababang amplitude.

Mga aplikasyon ng Op-amp Integrator

Ang integrator ay isang mahalagang bahagi ng instrumento at ginagamit sa henerasyon ng Ramp.
Sa function generator, ang integrator circuit ay ginagamit upang makabuo ng tatsulok na alon.
Ginagamit ang integrator sa alon na humuhubog sa circuit tulad ng iba't ibang uri ng charge amplifier.
Ginagamit ito sa mga analog computer, kung saan kinakailangan ang pagsasama upang magawa gamit ang analog circuit.
Ang integrator circuit ay malawak ding ginagamit sa analog sa digital converter.
Ang iba't ibang mga sensor ay gumagamit din ng isang integrator upang kopyahin ang mga kapaki-pakinabang na output.