Darbības pastiprinātāja integratora shēma: uzbūve, darbs un pielietojums

Op-amp vai operatīvais pastiprinātājs ir analogās elektronikas pamats, un no daudzām lietojumprogrammām, piemēram, summēšanas pastiprinātājs, diferenciālais pastiprinātājs, instrumentu pastiprinātājs, Op-Amp var izmantot arī kā integratoru, kas ir ļoti noderīga shēma ar analogiem saistītiem lietojumiem.

Vienkāršās Op-Amp lietojumprogrammās izeja ir proporcionāla ieejas amplitūdai. Bet, kad op-amp ir konfigurēts kā integrators, tiek ņemts vērā arī ievades signāla ilgums. Tādēļ integrators, kas balstīts uz op-amp, var veikt matemātisku integrāciju attiecībā uz laiku. Integrators ražo izejas sprieguma pāri op-amp, kas ir tieši proporcionāls ar integrāli ieejas spriegums; tāpēc izeja ir atkarīga no ieejas sprieguma noteiktā laika periodā.

Op-amp integratora shēmas uzbūve un darbība

Op-amp ir ļoti plaši izmantots elektronikas komponents, un to izmanto, lai izveidotu daudzas noderīgas pastiprinātāju shēmas.

Lai izveidotu vienkāršu integratora shēmu, izmantojot op-amp, nepieciešami divi pasīvie komponenti un viens aktīvais komponents. Divi pasīvie komponenti ir rezistors un kondensators. Rezistors un kondensators veido pirmās kārtas zemas caurlaidības filtru visā aktīvajā komponentā Op-Amp. Integratora shēma ir tieši pretēja Op-amp diferenciatora ķēdei.

Vienkārša Op-amp konfigurācija sastāv no diviem rezistoriem, kas rada atgriezeniskās saites ceļu. Integratora pastiprinātāja gadījumā atgriezeniskās saites rezistors tiek mainīts ar kondensatoru.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta pamata integratora shēma ar trim vienkāršiem komponentiem. Rezistors R1 un kondensators C1 ir savienoti pa pastiprinātāju. Pastiprinātājs ir apgrieztā konfigurācijā.

Op-amp pastiprinājums ir bezgalīgs, tāpēc pastiprinātāja invertējošā ieeja ir virtuāls pamats. Kad R1 tiek piemērots spriegums, strāva sāk plūst caur rezistoru, jo kondensatoram ir ļoti zema pretestība. Kondensators ir pievienots atgriezeniskās saites stāvoklī, un kondensatora pretestība ir nenozīmīga.

Šajā situācijā, ja tiek aprēķināts pastiprinātāja pieauguma koeficients, rezultāts būs mazāks par vienotību. Tas ir tāpēc, ka pastiprināšanas koeficients X _C / R ₁ ir pārāk mazs. Praktiski kondensatoram ir ļoti maza pretestība starp plāksnēm un neatkarīgi no vērtības R1, X _C / R ₁ izejas rezultāts būs ļoti zems.

Kondensators sāk uzlādēt ar ieejas spriegumu, un tādā pašā attiecībā sāk palielināties arī kondensatora pretestība. Uzlādes ātrumu nosaka RC laika konstante R1 un C1. Tagad tiek traucēta op-amp virtuālā zeme, un negatīvās atsauksmes radīs izejas spriegumu visā op-amp, lai uzturētu virtuālās zemes stāvokli visā ieejā.

Op-amp rada rampas izvadi, līdz kondensators tiek pilnībā uzlādēts. Kondensators uzlādē strāvu, samazinot virtuālās zemes un negatīvās izejas potenciālo starpību.

Op-amp integratora shēmas izejas sprieguma aprēķināšana

Visu iepriekš izskaidroto mehānismu var aprakstīt, izmantojot matemātisko veidojumu.

Apskatīsim iepriekšējo attēlu. IR1 ir strāva, kas plūst caur rezistoru. G ir virtuālā zeme. Ic1 ir strāva, kas plūst caur kondensatoru.

Ja Kirchhoff pašreizējais likums tiek piemērots visā krustojumā G, kas ir virtuāls pamats, iR1 būs plūsmas summa, kas ievadīta invertēšanas terminālā (Op-amp pin 2), un strāvas, kas iet caur kondensatoru C1.

iR ₁ = i _{invertējošais terminālis} + iC ₁

Tā kā op-amp ir ideāls op-amp un G mezgls ir virtuāls pamats, caur op-amp invertējošo spaili strāva neplūst. Tāpēc es _{apgriežot termināli} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensatoram C1 ir sprieguma un strāvas attiecība. Formula ir -

I _C = C (dV _C / dt)

Tagad izmantosim šo formulu praktiskā scenārijā. The

Iepriekš parādītajai pamata integratora shēmai ir trūkums. Kondensators bloķē līdzstrāvu, un tādēļ Op-Amp ķēdes līdzstrāvas pieaugums kļūst bezgalīgs. Tāpēc jebkurš līdzstrāvas spriegums pie Op-amp ieejas piesātina Op-amp izeju. Lai pārvarētu šo problēmu, paralēli kondensatoram var pievienot pretestību. Rezistors ierobežo ķēdes līdzstrāvas pieaugumu.

Op-Amp in Integrator konfigurācijā tiek nodrošināta atšķirīga izeja ar dažāda veida mainīgu ieejas signālu. Integratora pastiprinātāja izejas darbība katrā sinusa viļņa, kvadrātveida viļņu vai trīsstūra viļņu ieejas gadījumā ir atšķirīga.

Op-amp integratora darbība kvadrātveida viļņu ieejā

Ja kvadrātveida vilnis tiek sniegts kā ieeja integratora pastiprinātājam, iegūtais rezultāts būs trīsstūrveida vilnis vai zāģa zobu vilnis. Šādā gadījumā ķēdi sauc par Ramp ģeneratoru. Kvadrātveida viļņos sprieguma līmeņi mainās no Zema uz Augstu vai no Augsta uz Zema, kas liek kondensatoram uzlādēt vai izlādēties.

Kvadrātveida viļņa pozitīvās pīķa laikā strāva sāk plūst caur rezistoru un nākamajā posmā strāva plūst caur kondensatoru. Tā kā strāvas plūsma caur op-amp ir nulle, kondensators tiek uzlādēts. Kvadrātveida viļņu ievadīšanas negatīvās pīķa laikā notiks apgrieztā lieta. Augstas frekvences gadījumā kondensators saņem ļoti minimālu laiku, lai pilnībā uzlādētos.

Maksas un izkraušanas ātrums atkarīgs no rezistoru-kondensatoru kombināciju. Lai nodrošinātu pilnīgu integrāciju, ieejas kvadrātveida viļņa frekvencei vai periodiskajam laikam jābūt mazākam par ķēdes laika konstanti, kas tiek dēvēta par: T jābūt mazākai vai vienādai ar CR (T <= CR).

Kvadrātveida viļņu ģeneratoru var izmantot kvadrātveida viļņu ģeneratoram.

Op-amp integratora uzvedība uz sinusa viļņu ievadi

Ja ieeja, kas atrodas uz op-amp bāzes integratora shēmas, ir sinusoidāls, integratora konfigurācijā esošais op-amp rada izejas 90 grādu fāzes sinusa vilni. To sauc par kosinusa vilni. Šajā situācijā, kad ieeja ir sinusa viļņa, integratora ķēde darbojas kā aktīvs zemas caurlaidības filtrs.

Kā jau iepriekš minēts, zemā frekvencē vai līdzstrāvā kondensators rada bloķēšanas strāvu, kas galu galā samazina atgriezenisko saiti un izejas spriegums piesātinās. Šādā gadījumā rezistors ir savienots paralēli kondensatoram. Šis pievienotais rezistors nodrošina atgriezenisko saiti.

Iepriekš redzamajā attēlā paralēli kondensatoram C1 ir pievienots papildu rezistors R2. Izejas sinusa vilnis ir 90 grādu ārpus fāzes.

Ķēdes stūra frekvence būs

Fc = 1 / 2πCR2

Un kopējo līdzstrāvas pieaugumu var aprēķināt, izmantojot -

Gain = -R2 / R1

Sinusa viļņu ģeneratora ķēdi var izmantot sinusa viļņu ģenerēšanai integratora ieejai.

Op-amp integratora uzvedība uz trīsstūra viļņu ievadi

Trīsstūra viļņu ievadā op-amp atkal rada sinusoidālu vilni. Tā kā pastiprinātājs darbojas kā zemfrekvences filtrs, augstfrekvences harmonikas tiek ievērojami samazinātas. Izejas sinusoidālais vilnis sastāv tikai no zemfrekvences harmonikām un izejas gribas ar zemu amplitūdu.

Op-amp Integrator lietojumprogrammas

Integrators ir svarīga instrumentu sastāvdaļa, un to izmanto rampas ģenerēšanā.
Funkciju ģeneratorā trīsstūra viļņa radīšanai tiek izmantota integratora ķēde.
Integratoru izmanto viļņu formēšanas ķēdē, piemēram, cita veida uzlādes pastiprinātājā.
To lieto analogajos datoros, kur integrācija jāveic, izmantojot analogo shēmu.
Integratora shēma tiek plaši izmantota arī analogajā ciparu pārveidotājā.
Dažādi sensori arī izmanto integratoru, lai reproducētu noderīgas izejas.