Схема інтегратора операційного підсилювача: конструкція, робота та застосування

Операційний підсилювач або операційний підсилювач є основою аналогової електроніки, і з багатьох додатків, таких як підсумовуючий підсилювач, диференціальний підсилювач, підсилювач інструментальних приладів, Op-Amp також може бути використаний як інтегратор, що є дуже корисною схемою в аналогових програмах.

У простих додатках Op-Amp вихідний сигнал пропорційний вхідній амплітуді. Але коли операційний підсилювач налаштований як інтегратор, також враховується тривалість вхідного сигналу. Отже, інтегратор на базі операційного підсилювача може виконувати математичну інтеграцію щодо часу. Інтегратора виробляє вихідну напругу на ОУ, який прямо пропорційний інтеграл від вхідної напруги; тому вихідна потужність залежить від вхідної напруги протягом певного періоду часу.

Побудова та робота схеми інтегратора Op-amp

Операційний підсилювач є дуже широко використовуваним компонентом в електроніці і використовується для побудови багатьох корисних схем підсилювача.

Побудова простої схеми інтегратора з використанням операційного підсилювача вимагає двох пасивних компонентів та одного активного компонента. Двома пасивними компонентами є резистор і конденсатор. Резистор і конденсатор утворюють фільтр низьких частот першого порядку через активний компонент Op-Amp. Схема інтегратора прямо протилежна схемі диференціатора Op-amp.

Проста конфігурація підсилювача складається з двох резисторів, що створює шлях зворотного зв'язку. У випадку підсилювача інтегратора резистор зворотного зв'язку змінюється конденсатором.

На наведеному вище зображенні показана основна схема інтегратора з трьома простими компонентами. Резистор R1 і конденсатор C1 з'єднані через підсилювач. Підсилювач знаходиться в інвертуючій конфігурації.

Коефіцієнт підсилення операційного підсилювача нескінченний, тому інвертуючий вхід підсилювача є віртуальним заземленням. Коли на R1 подається напруга, струм починає протікати через резистор, оскільки конденсатор має дуже низький опір. Конденсатор підключений у положенні зворотного зв'язку, а опір конденсатора незначний.

У цій ситуації, якщо розрахувати коефіцієнт підсилення підсилювача, результат буде менше одиниці. Це пояснюється тим, що коефіцієнт підсилення X _C / R ₁ занадто малий. Практично, конденсатор має дуже низький опір між пластинами, і незалежно від значення R1, вихідний результат X _C / R ₁ буде дуже низьким.

Конденсатор починає заряджатися вхідною напругою, і в тому ж співвідношенні імпеданс конденсатора також починає збільшуватися. Швидкість зарядки визначається RC - постійною часу R1 і C1. Віртуальне заземлення операційного підсилювача тепер заважає, і негативний зворотний зв'язок вироблятиме вихідну напругу на підсилювачі, щоб підтримувати стан віртуального заземлення на вході.

Операційний підсилювач видає вихідну напругу, поки конденсатор не зарядиться повністю. Струм заряду конденсатора зменшується під впливом різниці потенціалів між віртуальною землею і негативним виходом.

Розрахунок вихідної напруги схеми інтегратора Op-amp

Повний пояснений вище механізм можна описати за допомогою математичного формування.

Подивимось наведене вище зображення. IR1 - струм, що протікає через резистор. G - це віртуальна земля. Ic1 - струм, що протікає через конденсатор.

Якщо діючий закон Кірхгофа застосовується до переходу G, який є віртуальним заземленням, iR1 буде сумою струму, що надходить в інвертуючий термінал (контакт 2-го підсилювача) і струму, що проходить через конденсатор C1.

iR ₁ = i _{інвертуючий термінал} + iC ₁

Оскільки операційний підсилювач є ідеальним підсилювачем, а вузол G - віртуальним заземленням, через інвертуючий термінал підсилювача не протікає струм. Отже, я _{інвертую термінал} = 0

iR ₁ = iC ₁

Конденсатор С1 має залежність напруги від струму. Формула -

I _C = C (dV _C / dt)

Тепер застосуємо цю формулу в практичному сценарії.

Основна схема інтегратора, яка була показана раніше, має недолік. Конденсатор блокує постійний струм, і завдяки цьому коефіцієнт посилення постійного струму ланцюга Op-Amp стає нескінченним. Отже, будь-яка напруга постійного струму на вході Op-amp, насичує вихід Op-amp. Для подолання цієї проблеми опір можна додати паралельно конденсатору. Резистор обмежує посилення постійного струму ланцюга.

Операційне підсилювач в конфігурації Integrator забезпечує різний вихідний сигнал для різного типу змінного вхідного сигналу. Вихідна поведінка підсилювача інтегратора відрізняється в кожному випадку на вході синусоїди, входу квадратної хвилі або трикутної хвилі.

Поведінка інтегратора Op-amp на вході Square Wave

Якщо квадратна хвиля надається як вхідний сигнал до підсилювача інтегратора, то на виході буде трикутна хвиля або хвиля зуба. У такому випадку ланцюг називається генератором рампи. У прямокутних хвилях рівні напруги змінюються від низького до високого або високого до низького, що змушує конденсатор заряджатися або розряджатися.

Під час позитивного піку квадратної хвилі струм починає протікати через резистор, а на наступному етапі струм протікає через конденсатор. Оскільки струм струму через операційний підсилювач дорівнює нулю, конденсатор заряджається. Зворотне відбудеться під час негативного піку введення квадратної хвилі. Для високої частоти конденсатор отримує дуже мінімальний час для повного заряджання.

Швидкість зарядки та розрядки залежить від комбінації резистор-конденсатор. Для ідеального інтегрування частота або періодичний час вхідної квадратної хвилі повинні бути меншими за постійну часу ланцюга, яка називається: T повинна бути менше або дорівнювати CR (T <= CR).

Схему генератора квадратних хвиль можна використовувати для створення квадратних хвиль.

Поведінка оптичного підсилювача на вході синусоїди

Якщо вхідним сигналом в схемі інтегратора на основі операційного підсилювача є синусоїда, Op-amp в конфігурації інтегратора виробляє 90-градусну фазову синусоїду на виході. Це називається косинусною хвилею. У цій ситуації, коли на вході є синусоїда, схема інтегратора діє як активний фільтр низьких частот.

Як вже обговорювалося раніше, при низькій частоті або постійному струмі конденсатор виробляє струм блокування, який з часом зменшує зворотний зв'язок і вихідна напруга насичується. У такому випадку резистор підключається паралельно конденсатору. Цей доданий резистор забезпечує шлях зворотного зв'язку.

На зображенні вище додатковий резистор R2 підключений паралельно конденсатору C1. Вихідна синусоїда становить 90 градусів поза фазою.

Кутова частота ланцюга буде

Fc = 1 / 2πCR2

І загальний коефіцієнт підсилення постійного струму можна розрахувати за допомогою -

Коефіцієнт посилення = -R2 / R1

Схема генератора синусоїд може використовуватися для генерації синусоїд для введення інтегратора.

Поведінка інтегратора операційного підсилювача на вході трикутної хвилі

При трикутному введенні хвилі операційний підсилювач знову виробляє синусоїдальну хвилю. Оскільки підсилювач діє як фільтр низьких частот, високочастотні гармоніки значно зменшуються. Вихідна синусоїда складається лише з низькочастотних гармонік, а вихідна буде з низькою амплітудою.

Застосування інтегратора Op-amp

Інтегратор є важливою частиною контрольно-вимірювальних приладів і використовується в генерації рампи.
У генераторі функцій схема інтегратора використовується для створення трикутної хвилі.
Інтегратор використовується в схемі формування хвилі, такі як підсилювач заряду іншого типу.
Він використовується в аналогових комп’ютерах, де інтеграцію потрібно здійснювати за допомогою аналогової схеми.
Схема інтегратора також широко використовується в аналоговому цифровому перетворювачі.
Різні датчики також використовують інтегратор для відтворення корисних результатів.