Integrovaný obvod operačního zesilovače: konstrukce, práce a aplikace

Operační zesilovač nebo operační zesilovač je páteří analogové elektroniky a z mnoha aplikací, jako je sumační zesilovač, diferenciální zesilovač, zesilovač instrumentace, lze Op-Amp použít také jako integrátor, což je velmi užitečný obvod v analogových aplikacích.

V jednoduchých aplikacích Op-Amp je výstup úměrný vstupní amplitudě. Pokud je však operační zesilovač konfigurován jako integrátor, je brána v úvahu také doba trvání vstupního signálu. Proto může integrátor založený na operačních zesilovačích provádět matematickou integraci s ohledem na čas. Integrátor produkuje výstupní napětí na operačního zesilovače, která je přímo úměrná k integrálu vstupního napětí; proto je výstup závislý na vstupním napětí po určitou dobu.

Konstrukce a fungování obvodu integrátoru operačních zesilovačů

Operační zesilovač je velmi široce používanou součástí elektroniky a používá se k sestavení mnoha užitečných obvodů zesilovačů.

Konstrukce jednoduchého obvodu Integrator využívajícího operační zesilovač vyžaduje dvě pasivní složky a jednu aktivní složku. Dvě pasivní součásti jsou odpor a kondenzátor. Rezistor a kondenzátor tvoří dolní propust prvního řádu přes aktivní komponentu Op-Amp. Obvod integrátoru je přesně opačný než obvod diferenciálního zesilovače Op-amp.

Jednoduchá konfigurace zesilovače se skládá ze dvou rezistorů, které vytvářejí cestu zpětné vazby. V případě zesilovače Integrator se zpětnovazební rezistor mění s kondenzátorem.

Na obrázku výše je ukázán základní obvod integrátoru se třemi jednoduchými součástmi. Rezistor R1 a kondenzátor C1 jsou připojeny přes zesilovač. Zesilovač je v inverzní konfiguraci.

Zisk zesilovače je nekonečný, proto je invertující vstup zesilovače virtuální zemí. Když je na R1 přivedeno napětí, začne proud protékat odporem, protože kondenzátor má velmi nízký odpor. Kondenzátor je připojen v poloze zpětné vazby a odpor kondenzátoru je zanedbatelný.

V této situaci, pokud se vypočítá poměr zesílení zesilovače, bude výsledek menší než jednota. Je to proto, že poměr zesílení X _C / R ₁ je příliš malý. Prakticky má kondenzátor mezi deskami velmi nízký odpor a bez ohledu na hodnotu R1, bude výstupní výsledek X _C / R ₁ velmi nízký.

Kondenzátor se začíná nabíjet vstupním napětím a ve stejném poměru se také začíná zvyšovat impedance kondenzátoru. Rychlost nabíjení je určena RC - časovou konstantou R1 a C1. Virtuální země operačního zesilovače je nyní omezována a negativní zpětná vazba bude produkovat výstupní napětí přes operační zesilovač, aby se zachoval stav virtuální země přes vstup.

Operační zesilovač produkuje rampový výstup, dokud se kondenzátor plně nenabije. Kondenzátor nabíjí proud poklesem vlivu rozdílu potenciálů mezi virtuální zemí a záporným výstupem.

Výpočet výstupního napětí integračního obvodu operačního zesilovače

Celý mechanismus vysvětlený výše lze popsat pomocí matematické formace.

Podívejme se na výše uvedený obrázek. IR1 je proud protékající rezistorem. G je virtuální země. Ic1 je proud protékající kondenzátorem.

Pokud je Kirchhoffův aktuální zákon aplikován na křižovatku G, což je virtuální zem, bude iR1 součtem proudu vstupujícího do invertujícího terminálu (pin op-amp 2) a proudu procházejícího kondenzátorem C1.

iR ₁ = i _{invertující terminál} + iC ₁

Jelikož je operační zesilovač ideálním operačním zesilovačem a uzel G je virtuální zem, invertujícím terminálem operačního zesilovače neprotéká žádný proud. Proto i _{invertující terminál} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondenzátor C1 má vztah napětí a proudu. Vzorec je -

I _C = C (dV _C / dt)

Nyní použijeme tento vzorec v praktickém scénáři. The

Základní obvod integrátoru, který je zobrazen dříve, má nevýhodu. Kondenzátor blokuje DC a díky tomu se stejnosměrný zisk obvodu Op-Amp stává nekonečným. Proto jakékoli stejnosměrné napětí na vstupu operačního zesilovače saturuje výstup operačního zesilovače. K překonání tohoto problému lze přidat odpor paralelně s kondenzátorem. Rezistor omezuje stejnosměrný zisk obvodu.

Operační zesilovač v konfiguraci integrátoru poskytuje jiný výstup v jiném typu měnícího se vstupního signálu. Chování výstupu zesilovače Integrator se liší v každém případě vstupu sinusové vlny, vstupu čtvercové vlny nebo vstupu trojúhelníkové vlny.

Chování integrátoru operačního zesilovače na vstupu Square Wave

Pokud je obdélníková vlna poskytována jako vstup do zesilovače integrátoru, bude produkovaným výstupem trojúhelníková vlna nebo vlna pilového zubu. V takovém případě se obvod nazývá generátor rampy. Ve čtvercové vlně se úrovně napětí mění z nízké na vysokou nebo vysokou na nízkou, což způsobí nabití nebo vybití kondenzátoru.

Během kladného vrcholu obdélníkové vlny začne proud protékat odporem a v další fázi bude proud protékat kondenzátorem. Protože proud protékající operačním zesilovačem je nulový, kondenzátor se nabije. Zpětná věc se stane během záporného píku vstupu čtvercové vlny. Pro vysokou frekvenci získá kondenzátor velmi minimální čas na úplné nabití.

Rychlost nabíjení a vybíjení závisí na kombinaci rezistor-kondenzátor. Pro dokonalou integraci musí být frekvence nebo periodický čas vstupní obdélníkové vlny menší než časová konstanta obvodu, která se označuje jako: T by mělo být menší nebo rovné CR (T <= CR).

Obvod generátoru čtvercových vln lze použít k výrobě čtvercových vln.

Chování integrátoru operačního zesilovače na vstupu sinusové vlny

Pokud je vstup napříč obvodem integrátoru založeným na operačních zesilovačích sinusová vlna, produkuje operační zesilovač v konfiguraci integrátoru 90 stupňů fázové sinusové vlny na výstupu. Tomu se říká kosinová vlna. Během této situace, když je vstupem sinusová vlna, funguje integrátorový obvod jako aktivní dolní propust.

Jak již bylo řečeno, kondenzátor při nízké frekvenci nebo stejnosměrném proudu produkuje blokovací proud, který nakonec snižuje zpětnou vazbu a saturuje výstupní napětí. V takovém případě je rezistor připojen paralelně s kondenzátorem. Tento přidaný rezistor poskytuje cestu zpětné vazby.

Na výše uvedeném obrázku je paralelně s kondenzátorem C1 připojen další rezistor R2. Výstupní sinusová vlna je 90 stupňů mimo fázi.

Rohová frekvence obvodu bude

Fc = 1 / 2πCR2

A celkový zisk DC lze vypočítat pomocí -

Zisk = -R2 / R1

Obvod generátoru sinusových vln lze použít ke generování sinusových vln pro vstup integrátoru.

Chování integrátoru operačního zesilovače na vstupu trojúhelníkové vlny

Při vstupu trojúhelníkové vlny vytváří operační zesilovač opět sinusovou vlnu. Protože zesilovač funguje jako dolní propust, jsou vysokofrekvenční harmonické výrazně sníženy. Výstupní sinusová vlna se skládá pouze z nízkofrekvenčních harmonických a výstupní vůle s nízkou amplitudou.

Aplikace integrátoru operačních zesilovačů

1. Integrátor je důležitou součástí přístrojové techniky a používá se při generování rampy.
2. V generátoru funkcí se integrační obvod používá k výrobě trojúhelníkové vlny.
3. Integrátor se používá v obvodech tvarování vln, jako je jiný druh zesilovače náboje.
4. Používá se v analogových počítačích, kde je třeba provést integraci pomocí analogového obvodu.
5. Obvod integrátoru je také široce používán v analogovém s digitálním převodníkem.
6. Různé senzory také používají integrátor k reprodukci užitečných výstupů.