Circuit integrador d'amplificadors operacionals: construcció, treball i aplicacions

L’amplificador operatiu o amplificador operacional és l’eix vertebrador de l’electrònica analògica i de moltes aplicacions, com ara l’amplificador sumador, l’amplificador diferencial, l’amplificador d’instrumentació, l’amplificador operatiu també es pot utilitzar com a integrador, que és un circuit molt útil en aplicacions relacionades amb analògics

En aplicacions Op-Amp senzilles, la sortida és proporcional a l’amplitud d’entrada. Però quan l' op-amp es configura com a integrador, també es té en compte la durada del senyal d'entrada. Per tant, un integrador basat en amplificador operatiu pot realitzar una integració matemàtica respecte al temps. L' integrador produeix una tensió de sortida a través de l'amplificador operacional, que és directament proporcional a la integral del voltatge d'entrada; per tant, la sortida depèn de la tensió d'entrada durant un període de temps.

Construcció i treball del circuit integrador d’amplificadors d’op

L’amplificador operatiu és un component molt utilitzat en electrònica i s’utilitza per construir molts circuits d’amplificadors útils.

La construcció d’ un circuit integrador senzill mitjançant amplificador operatiu requereix dos components passius i un component actiu. Els dos components passius són la resistència i el condensador. La resistència i el condensador formen un filtre de pas baix de primer ordre a través del component actiu Op-Amp. El circuit integrador és exactament oposat al circuit diferencial d’amplificadors d’op.

Una configuració senzilla d’ampli operatiu consisteix en dues resistències, que creen un camí de retroalimentació. En el cas de l'amplificador integrador, la resistència de retroalimentació es canvia amb un condensador.

A la imatge anterior, es mostra un circuit integrador bàsic amb tres components simples. La resistència R1 i el condensador C1 estan connectats a través de l'amplificador. L'amplificador té una configuració d'inversió.

El guany d'amplificador operatiu és infinit, per tant, l'entrada inversora de l'amplificador és una terra virtual. Quan s’aplica una tensió a través de l’R1, el corrent comença a fluir a través de la resistència ja que el condensador té una resistència molt baixa. El condensador està connectat en la posició de retroalimentació i la resistència del condensador és insignificant.

En aquesta situació, si es calcula la relació de guany de l'amplificador, el resultat serà inferior a la unitat. Això es deu al fet que la relació de guany, X _C / R ₁ és massa petita. Pràcticament, el condensador té una resistència molt baixa entre les plaques i qualsevol que sigui el valor R1, el resultat de sortida de X _C / R ₁ serà molt baix.

El condensador comença a carregar-se pel voltatge d'entrada i, en la mateixa proporció, la impedància del condensador també comença a augmentar. La taxa de càrrega està determinada per la constant de temps RC de R1 i C1. La terra virtual de l'amplificador operatiu ara es troba obstaculitzada i la retroalimentació negativa produirà un voltatge de sortida a través de l'amplificador operatiu per mantenir la condició de terra virtual a l'entrada.

L’amplificador Op produeix una sortida de rampa fins que el condensador es carrega completament. El condensador de càrrega del corrent disminueix per la influència de la diferència de potencial entre la terra virtual i la sortida negativa.

Càlcul de la tensió de sortida del circuit integrador d'amplificadors operatius

El mecanisme complet explicat anteriorment es pot descriure utilitzant la formació matemàtica.

Vegem la imatge anterior. L'iR1 és el corrent que circula per la resistència. La G és el terreny virtual. L’Ic1 és el corrent que circula pel condensador.

Si la llei actual de Kirchhoff s'aplica a la cruïlla G, que és una terra virtual, l' iR1 serà la suma del corrent que entra al terminal d'inversió (pin d'amplificador Op 2) i el corrent que passa pel condensador C1.

iR ₁ = i _{terminal inversor} + iC ₁

Atès que l’amplificador operatiu és un amplificador operacional ideal i el node G és un sòl virtual, no passa cap corrent pel terminal inversor de l’amplificador operatiu. Per tant, i _{invertint el terminal} = 0

iR ₁ = iC ₁

El condensador C1 té una relació tensió-corrent. La fórmula és -

I _C = C (dV _C / dt)

Ara apliquem aquesta fórmula en un escenari pràctic. El

El circuit bàsic d’integrador, que es mostra anteriorment, té un inconvenient. El condensador bloqueja el corrent continu i, per això, el guany de corrent continu del circuit Op-Amp esdevé infinit. Per tant, qualsevol voltatge de CC a l’entrada Op-amp, satura la sortida de l’ampli op. Per superar aquest problema, es pot afegir resistència en paral·lel al condensador. La resistència limita el guany de CC del circuit.

La configuració Op-Amp a Integrator proporciona una sortida diferent en un tipus diferent de senyal d’entrada canviant. El comportament de sortida d'un amplificador integrador és diferent en cada cas d'entrada d'ona sinusoïdal, entrada d'ona quadrada o entrada d'ona triangular.

Comportament de l’amplificador d’amplificadors d’entrada a l’ona quadrada

Si l'ona quadrada es proporciona com a entrada a l'amplificador integrador, la sortida produïda serà una ona triangular o d'ona de serra. En aquest cas, el circuit s’anomena generador de rampa. En ona quadrada, els nivells de tensió canvien de baix a alt o alt a baix, cosa que fa que el condensador es carregui o es descarregui.

Durant el pic positiu de l'ona quadrada, el corrent comença a fluir a través de la resistència i, a la següent etapa, el corrent a través del condensador. Com que el flux de corrent a través de l’ampli operatiu és nul, el condensador es carrega. El contrari passarà durant el pic negatiu de l'entrada d'ona quadrada. Per a una freqüència alta, el condensador obté un temps molt mínim per carregar-se completament.

La velocitat de càrrega i descàrrega depèn de la combinació resistència-condensador. Per a una integració perfecta, la freqüència o el temps periòdic de l’ona quadrada d’entrada ha de ser inferior a la constant de temps del circuit, que s’anomena: T ha de ser inferior o igual al CR (T <= CR).

El circuit generador d’ones quadrades es pot utilitzar per produir ones quadrades.

Comportament de l’amplificador d’amplificadors d’entrada d’ona sinusoïdal

Si l’entrada a través d’un circuit integrador basat en amplificador operatiu és una ona sinusoïdal, l’amplificador operatiu en configuració de l’integrador produeix una ona sinusoïdal fora de fase de 90 graus a través de la sortida. Això s’anomena ona cosinus. Durant aquesta situació, quan l’entrada és una ona sinusoïdal, el circuit integrador actua com un filtre actiu de pas baix.

Com es va comentar anteriorment, que en baixa freqüència o en corrent continu, el condensador produeix un corrent de bloqueig que, finalment, redueix la retroalimentació i el voltatge de sortida es satura. En aquest cas, una resistència es connecta en paral·lel amb el condensador. Aquesta resistència afegida proporciona un camí de retroalimentació.

A la imatge anterior, es connecta una resistència addicional R2 en paral·lel amb el condensador C1. L'ona sinusoïdal de sortida està desfasada a 90 graus.

La freqüència de cantonada del circuit serà

Fc = 1 / 2πCR2

I el guany general de CC es pot calcular utilitzant -

Guany = -R2 / R1

El circuit generador d’ones sinusoidals es pot utilitzar per generar ones sinusoïdals per a l’entrada de l’integrador.

Comportament de l’amplificador d’amplificadors d’entrada d’ona triangular

En l'entrada d'ona triangular, l'amplificador operatiu torna a produir una ona sinusoïdal. Com que l'amplificador actua com un filtre de pas baix, els harmònics d'alta freqüència es redueixen considerablement. L'ona sinusoïdal de sortida només consta d'harmònics de baixa freqüència i la sortida serà de baixa amplitud.

Aplicacions de l'Op-amp Integrator

1. L’integrador és una part important de la instrumentació i s’utilitza en la generació de rampes.
2. En el generador de funcions, el circuit integrador s’utilitza per produir l’ona triangular.
3. L'integrador s'utilitza en circuits de configuració d'ones, com ara un tipus diferent d'amplificador de càrrega.
4. S'utilitza en ordinadors analògics, on cal integrar-se mitjançant el circuit analògic.
5. El circuit integrador també s'utilitza àmpliament en convertidors analògics i digitals.
6. Diferents sensors també utilitzen un integrador per reproduir sortides útils.