Operationsförstärkare integratorkrets: konstruktion, arbete och applikationer

Op-amp eller operationsförstärkare är ryggraden i Analog Electronics och av många applikationer, såsom Summing Amplifier, differentiell förstärkare, Instrumentation Amplifier, Op-Amp kan också användas som integrator som är en mycket användbar krets i analog relaterad applikation.

I enkla Op-Amp-applikationer är utgången proportionell mot ingångsamplituden. Men när op-amp är konfigurerad som en integrator, beaktas också insignalens varaktighet. Därför kan en op-amp-baserad integrator utföra matematisk integration med avseende på tid. Den integratorn alstrar en utgångsspänning över operationsförstärkaren, som är direkt proportionell mot integralen av ingångsspänningen; därför är utgången beroende av ingångsspänningen över en tidsperiod.

Konstruktion och bearbetning av Op-amp Integrator Circuit

Op-amp är en mycket använd komponent i elektronik och används för att bygga många användbara förstärkarkretsar.

Konstruktionen av en enkel integratorkrets som använder op-amp kräver två passiva komponenter och en aktiv komponent. De två passiva komponenterna är motstånd och kondensator. Motståndet och kondensatorn bildar ett första ordningens lågpassfilter över den aktiva komponenten Op-Amp. Integratorkretsen är precis motsatt av Op-amp-differentieringskretsen.

En enkel Op-amp-konfiguration består av två motstånd, vilket skapar en återkopplingsväg. När det gäller integratorförstärkare ändras återkopplingsmotståndet med en kondensator.

I bilden ovan visas en grundläggande integratorkrets med tre enkla komponenter. Motståndet R1 och kondensatorn Cl är anslutna över förstärkaren. Förstärkaren är inverterad.

Op-amp-förstärkningen är oändlig, därför är förstärkarens inverterande ingång en virtuell mark. När en spänning appliceras över R1 börjar strömmen strömma genom motståndet eftersom kondensatorn har mycket lågt motstånd. Kondensatorn är ansluten i återkopplingsläget och kondensatorns motstånd är obetydligt.

Vid denna situation, om förstärkarens förstärkningsförhållande beräknas, blir resultatet mindre än enheten. Detta beror på att förstärkningsförhållandet, X _C / R ₁ är för liten. Praktiskt, har kondensatorn mycket låg resistans mellan plattorna och oavsett värde R1 håller utsignalen resultat av X _C / R ₁ kommer att vara mycket låg.

Kondensatorn börjar laddas av ingångsspänningen och i samma förhållande börjar kondensatorimpedansen också att öka. Laddningshastigheten bestäms av RC - tidskonstanten på R1 och C1. Op-amp virtuell jord hämmas nu och den negativa återkopplingen kommer att producera en utspänning över op-amp för att bibehålla det virtuella jordförhållandet över ingången.

Op-amp ger en ramputgång tills kondensatorn blir fulladdad. Kondensatorns laddningsström minskar genom påverkan av potentialskillnaden mellan den virtuella jorden och den negativa utgången.

Beräkning av utspänningen för Op-amp Integrator Circuit

Den kompletta mekanismen som beskrivs ovan kan beskrivas med hjälp av matematisk bildning.

Låt oss se bilden ovan. IR1 är strömmen som strömmar genom motståndet. G är den virtuella marken. Ic1 är strömmen som flyter genom kondensatorn.

Om Kirchhoffs nuvarande lag tillämpas över korsningen G, som är en virtuell mark, kommer iR1 att vara summan av strömmen som matas in i Invertering-terminalen (Op-amp pin 2) och strömmen som passerar genom kondensatorn C1.

iR ₁ = i _{inverterande terminal} + iC ₁

Eftersom op-förstärkaren är en idealisk förstärkare och G-noden är en virtuell mark, flyter ingen ström genom op-förstärkarens inverterande terminal. Därför _inverterar jag _terminal = 0

iR ₁ = iC ₁

Kondensatorn C1 har ett förhållande mellan spänning och ström. Formeln är -

I _C = C (dV _C / dt)

Låt oss nu tillämpa denna formel i ett praktiskt scenario. De

Den grundläggande integratorkretsen, som visas tidigare, har en nackdel. Kondensatorn blockerar DC och på grund av detta blir DC-förstärkningen för Op-Amp-kretsen oändlig. Därför mättar varje likspänning vid Op-amp-ingången Op-amp-utgången. För att övervinna detta problem kan motstånd läggas till parallellt med kondensatorn. Motståndet begränsar kretsens DC-förstärkning.

Op-Amp i integratorkonfiguration ger olika utgångar i en annan typ av förändrad insignal. Utgångsbeteendet hos en integratorförstärkare är olika i varje fall av sinusingång, fyrkantig ingång eller triangulär vågingång.

Op-amp-integratorbeteende vid Square Wave-ingång

Om fyrkantvågen tillhandahålls som en ingång till integratorförstärkaren kommer den producerade utgången att vara en triangulär våg eller sågtandvåg. I ett sådant fall kallas kretsen en rampgenerator. I kvadratvåg förändras spänningsnivåerna från låg till hög eller hög till låg, vilket gör att kondensatorn laddas eller laddas ur.

Under kvadratvågens positiva topp börjar strömmen strömma genom motståndet och i nästa steg strömmer strömmen genom kondensatorn. Eftersom strömmen genom op-amp är noll laddas kondensatorn. Det motsatta kommer att hända under den negativa toppen av kvadratvåginmatningen. För en hög frekvens får kondensatorn mycket minimal tid att ladda helt.

Den laddnings- och urladdningshastighet beror på motståndet-kondensatorkombinationen. För perfekt integration måste frekvensen eller den periodiska tiden för ingångs kvadratvåg vara mindre än kretsens tidskonstant, vilket kallas: T bör vara mindre än eller lika med CR (T <= CR).

Fyrkantsgeneratorkrets kan användas för att producera fyrkantiga vågor.

Op-amp Integrator Behavior on Sine Wave input

Om ingången över en op-amp-baserad integratorkrets är en sinusvåg producerar Op-amp i integratorkonfiguration en 90 graders fas utan sinusvåg över utgången. Detta kallas en cosinusvåg. Under denna situation, när ingången är en sinusvåg, fungerar integratorkretsen som ett aktivt lågpassfilter.

Som tidigare diskuterats, producerar kondensatorn i lågfrekvens eller i DC en blockeringsström som så småningom minskar återkopplingen och utspänningens mättnad. I ett sådant fall är ett motstånd anslutet parallellt med kondensatorn. Detta tillagda motstånd ger en återkopplingsväg.

I bilden ovan är ett ytterligare motstånd R2 anslutet parallellt med kondensatorn Cl. Utgångens sinusvåg är 90 grader ur fas.

Kretsens hörnfrekvens kommer att vara

Fc = 1 / 2πCR2

Och den totala DC-förstärkningen kan beräknas med -

Förstärkning = -R2 / R1

Sinusgenerator-krets kan användas för att generera sinusvågor för integratoringång.

Op-amp Integrator Behavior on Triangular Wave input

I triangulär vågingång producerar op-amp igen en sinusformad våg. Eftersom förstärkaren fungerar som lågpassfilter minskas högfrekventa övertoner kraftigt. Utgångens sinusvåg består endast av lågfrekventa övertoner och utgången har låg amplitud.

Tillämpningar av Op-amp Integrator

Integrator är en viktig del av instrumentet och används i rampgenerering.
I funktionsgeneratorn används integratorkretsen för att producera den triangulära vågen.
Integrator används i vågformningskrets, såsom en annan typ av laddningsförstärkare.
Den används i analoga datorer, där integration krävs för att göra den analoga kretsen.
Integratorkrets används också ofta i analog till digitalomvandlaren.
Olika sensorer använder också en integrator för att återge användbara utgångar.