Κύκλωμα ολοκληρωμένου λειτουργικού ενισχυτή: κατασκευή, εργασία και εφαρμογές

Το Op-amp ή το Operational Amplifier είναι η ραχοκοκαλιά της Analog Electronics και από πολλές εφαρμογές, όπως Summing Amplifier, διαφορικό ενισχυτή, Instrumentation Amplifier, Op-Amp μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ολοκληρωτής που είναι ένα πολύ χρήσιμο κύκλωμα σε αναλογική εφαρμογή.

Σε απλές εφαρμογές Op-Amp, η έξοδος είναι ανάλογη με το εύρος εισόδου. Αλλά όταν το op-amp έχει διαμορφωθεί ως ολοκληρωτής, λαμβάνεται επίσης υπόψη η διάρκεια του σήματος εισόδου. Επομένως, ένας ολοκληρωτής που βασίζεται σε op-amp μπορεί να εκτελέσει μαθηματική ολοκλήρωση σε σχέση με το χρόνο. Ο ενσωματωτής παράγει μια τάση εξόδου στο op-amp, η οποία είναι ευθέως ανάλογη με την ολοκλήρωση της τάσης εισόδου. Επομένως, η έξοδος εξαρτάται από την τάση εισόδου για μια χρονική περίοδο.

Κατασκευή και λειτουργία κυκλώματος ολοκληρωτή Op-amp

Το Op-amp είναι πολύ ευρέως χρησιμοποιούμενο συστατικό στην Ηλεκτρονική και χρησιμοποιείται για την κατασκευή πολλών χρήσιμων κυκλωμάτων ενισχυτή.

Η κατασκευή ενός απλού ολοκληρωμένου κυκλώματος που χρησιμοποιεί op-amp απαιτεί δύο παθητικά εξαρτήματα και ένα ενεργό συστατικό. Τα δύο παθητικά εξαρτήματα είναι αντίσταση και πυκνωτής. Η αντίσταση και ο πυκνωτής σχηματίζουν ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης πρώτης τάξης στο ενεργό συστατικό Op-Amp. Το κύκλωμα ολοκληρωτή είναι ακριβώς αντίθετο από το κύκλωμα διαφορικού Op-amp.

Μια απλή διαμόρφωση Op-amp αποτελείται από δύο αντιστάσεις, οι οποίες δημιουργούν μια διαδρομή ανατροφοδότησης. Στην περίπτωση του ενισχυτή Integrator, η αντίσταση ανάδρασης αλλάζει με έναν πυκνωτή.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένα βασικό κύκλωμα ολοκληρωτή με τρία απλά στοιχεία. Η αντίσταση R1 και ο πυκνωτής C1 συνδέονται κατά μήκος του ενισχυτή. Ο ενισχυτής είναι σε διαμόρφωση αντιστροφής.

Το κέρδος Op-amp είναι άπειρο, επομένως η αντίστροφη είσοδος του ενισχυτή είναι μια εικονική γείωση. Όταν εφαρμόζεται τάση κατά μήκος του R1, το ρεύμα αρχίζει να ρέει μέσω της αντίστασης καθώς ο πυκνωτής έχει πολύ χαμηλή αντίσταση. Ο πυκνωτής είναι συνδεδεμένος στη θέση ανατροφοδότησης και η αντίσταση του πυκνωτή είναι ασήμαντη.

Σε αυτήν την περίπτωση, εάν υπολογιστεί ο λόγος κέρδους του ενισχυτή, το αποτέλεσμα θα είναι μικρότερο από την ενότητα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο λόγος κέρδους, το X _C / R ₁ είναι πολύ μικρό. Πρακτικά, ο πυκνωτής έχει πολύ χαμηλή αντίσταση μεταξύ των πλακών και ό, τι η τιμή R1 κατέχει, το αποτέλεσμα εξόδου του X _C / R ₁ θα είναι πολύ χαμηλή.

Ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται από την τάση εισόδου και στην ίδια αναλογία, η αντίσταση του πυκνωτή αρχίζει επίσης να αυξάνεται. Ο ρυθμός φόρτισης καθορίζεται από τη σταθερά χρόνου RC των R1 και C1. Η εικονική γη op-amp τώρα παρεμποδίζεται και η αρνητική ανάδραση θα παράγει τάση εξόδου κατά μήκος του op-amp για να διατηρήσει την κατάσταση της εικονικής γης σε όλη την είσοδο.

Το Op-amp παράγει έξοδο ράμπας έως ότου ο πυκνωτής φορτιστεί πλήρως. Ο πυκνωτής φορτίζει το ρεύμα μειώνεται από την επίδραση της πιθανής διαφοράς μεταξύ της εικονικής γης και της αρνητικής εξόδου.

Υπολογισμός της τάσης εξόδου του κυκλώματος ολοκληρωτή Op-amp

Ο πλήρης μηχανισμός που εξηγείται παραπάνω μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας μαθηματικό σχηματισμό.

Ας δούμε την παραπάνω εικόνα. Το iR1 είναι το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης. Το G είναι το εικονικό έδαφος. Το Ic1 είναι το ρεύμα που ρέει μέσω του πυκνωτή.

Εάν ο ισχύων νόμος του Kirchhoff εφαρμόζεται κατά μήκος της διασταύρωσης G, η οποία είναι εικονική γείωση, το iR1 θα είναι το άθροισμα του ρεύματος που εισέρχεται στο τερματικό αντιστροφής (Op-amp pin 2) και το ρεύμα που περνά μέσω του Capacitor C1.

iR ₁ = i _{αντιστροφή τερματικού} + iC ₁

Δεδομένου ότι το op-amp είναι ένα ιδανικό op-amp και ο κόμβος G είναι μια εικονική γείωση, δεν ρέει ρεύμα μέσω του τερματικού αντιστροφής του op-amp. Ως εκ τούτου, i _{αναστρεφόμενο ακροδέκτη} = 0

iR ₁ = iC ₁

Ο πυκνωτής C1 έχει σχέση τάσης-ρεύματος. Ο τύπος είναι -

I _C = C (dV _C / dt)

Τώρα ας εφαρμόσουμε αυτόν τον τύπο σε πρακτικό σενάριο. ο

Το βασικό κύκλωμα Ολοκληρωτή, το οποίο φαίνεται προηγουμένως, έχει ένα μειονέκτημα. Ο πυκνωτής μπλοκάρει το DC και λόγω αυτού, το κέρδος DC του κυκλώματος Op-Amp γίνεται άπειρο. Επομένως, οποιαδήποτε τάση DC στην είσοδο Op-amp, κορεσμένη την έξοδο Op-amp. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, μπορεί να προστεθεί αντίσταση παράλληλα με τον πυκνωτή. Η αντίσταση περιορίζει το κέρδος DC του κυκλώματος.

Η διαμόρφωση Op-Amp in Integrator παρέχει διαφορετική έξοδο σε διαφορετικό τύπο μεταβαλλόμενου σήματος εισόδου. Η συμπεριφορά εξόδου ενός ενισχυτή Integrator είναι διαφορετική σε κάθε περίπτωση εισόδου κύματος ημιτονοειδούς, εισόδου τετραγωνικού κύματος ή εισόδου τριγωνικού κύματος.

Συμπεριφορά ολοκληρωτή Op-amp στην είσοδο Square Wave

Εάν το τετραγωνικό κύμα παρέχεται ως είσοδος στον Ενισχυτή ολοκληρωτή, η παραγόμενη έξοδος θα είναι ένα τριγωνικό κύμα ή ένα κύμα δοντιού πριονιού. Σε μια τέτοια περίπτωση, το κύκλωμα ονομάζεται γεννήτρια ράμπας. Στο τετραγωνικό κύμα, τα επίπεδα τάσης αλλάζουν από χαμηλή σε υψηλή ή υψηλή σε χαμηλή, γεγονός που καθιστά τον πυκνωτή φορτισμένο ή αποφορτισμένο.

Κατά τη θετική κορυφή του τετραγωνικού κύματος, το ρεύμα αρχίζει να ρέει μέσω της αντίστασης και στο επόμενο στάδιο, το ρεύμα ρέει μέσω του πυκνωτή. Δεδομένου ότι η τρέχουσα ροή μέσω του op-amp είναι μηδέν, ο πυκνωτής φορτίζεται. Το αντίστροφο πράγμα θα συμβεί κατά την αρνητική κορυφή της εισόδου τετραγωνικού κύματος. Για υψηλή συχνότητα, ο πυκνωτής παίρνει πολύ ελάχιστο χρόνο για να φορτιστεί πλήρως.

Ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης εξαρτάται από το συνδυασμό αντίστασης-πυκνωτή. Για τέλεια ενσωμάτωση, η συχνότητα ή ο περιοδικός χρόνος του τετραγωνικού κύματος εισόδου πρέπει να είναι μικρότερος από τη σταθερά χρόνου κυκλώματος, η οποία αναφέρεται ως: Το Τ πρέπει να είναι μικρότερο ή ίσο με το CR (T <= CR).

Το κύκλωμα γεννήτριας τετραγωνικών κυμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τετραγωνικών κυμάτων.

Συμπεριφορά ολοκληρωτή Op-amp στην είσοδο Sine Wave

Εάν η είσοδος σε κύκλωμα Integrator που βασίζεται σε op-amp είναι ημιτονοειδές κύμα, το Op-amp στη διαμόρφωση ολοκληρωτή παράγει 90 μοίρες από ημιτονοειδές κύμα φάσης κατά μήκος της εξόδου. Αυτό ονομάζεται συνημίτονο κύμα. Κατά τη διάρκεια αυτής της κατάστασης, όταν η είσοδος είναι ημιτονοειδές κύμα, το κύκλωμα ολοκλήρωσης δρα ως ενεργό φίλτρο χαμηλής διέλευσης.

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, ότι σε χαμηλή συχνότητα ή σε DC, ο πυκνωτής παράγει ένα ρεύμα αποκλεισμού το οποίο τελικά μειώνει την ανάδραση και τους κορεσμούς τάσης εξόδου. Σε μια τέτοια περίπτωση, μια αντίσταση συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή. Αυτή η πρόσθετη αντίσταση παρέχει μια διαδρομή ανατροφοδότησης.

Στην παραπάνω εικόνα, μια πρόσθετη αντίσταση R2 συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή C1. Το ημιτονοειδές κύμα εξόδου είναι 90 μοίρες εκτός φάσης.

Η γωνιακή συχνότητα του κυκλώματος θα είναι

Fc = 1 / 2πCR2

Και το συνολικό κέρδος DC μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας -

Κέρδος = -R2 / R1

Το κύκλωμα δημιουργίας ημιτονοειδών κυμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ημιτονοειδών κυμάτων για είσοδο ολοκληρωτή.

Συμπεριφορά ολοκληρωτή Op-amp στην είσοδο τριγωνικού κύματος

Στην είσοδο τριγωνικού κύματος, το op-amp παράγει ξανά ένα ημιτονοειδές κύμα. Καθώς ο ενισχυτής λειτουργεί ως φίλτρο χαμηλής διέλευσης, οι αρμονικές υψηλής συχνότητας μειώνονται σημαντικά. Το ημιτονοειδές κύμα εξόδου αποτελείται μόνο από αρμονικές χαμηλής συχνότητας και η βούληση εξόδου χαμηλού πλάτους.

Εφαρμογές του Op-amp Integrator

1. Το Integrator είναι ένα σημαντικό μέρος της οργάνωσης και χρησιμοποιείται στη δημιουργία ράμπας.
2. Στη λειτουργία γεννήτριας, το κύκλωμα ολοκληρωτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή του τριγωνικού κύματος.
3. Το Integrator χρησιμοποιείται σε κύκλωμα διαμόρφωσης κυμάτων, όπως ένας διαφορετικός τύπος ενισχυτή φόρτισης.
4. Χρησιμοποιείται σε αναλογικούς υπολογιστές, όπου η ολοκλήρωση πρέπει να γίνει χρησιμοποιώντας το αναλογικό κύκλωμα.
5. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα χρησιμοποιείται επίσης ευρέως σε αναλογικό με τον ψηφιακό μετατροπέα.
6. Διαφορετικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν επίσης έναν ενσωματωτή για την αναπαραγωγή χρήσιμων εξόδων.