Operasyonel amplifikatör entegratör devresi: inşaat, çalışma ve uygulamalar

Op-amp veya Operasyonel Amplifikatör, Analog Elektroniğin bel kemiğidir ve Toplama Amplifikatörü, diferansiyel amplifikatör, Enstrümantasyon Amplifikatörü, Op-Amp gibi birçok uygulamanın dışında, analog ile ilgili uygulamalarda çok kullanışlı bir devre olan entegratör olarak da kullanılabilir.

Basit Op-Amp uygulamalarında çıkış, giriş genliği ile orantılıdır. Ancak op-amp bir entegratör olarak yapılandırıldığında, giriş sinyalinin süresi de dikkate alınır. Bu nedenle, op-amp tabanlı bir entegratör, zamana göre matematiksel entegrasyon gerçekleştirebilir. Entegratör giriş voltajına entegrali ile doğru orantılıdır op-amp, boyunca bir çıkış voltajı üretir; bu nedenle çıkış, belirli bir süre boyunca giriş voltajına bağlıdır.

Op-amp Entegratör Devresinin Yapılması ve Çalışması

Op-amp, Elektronikte çok yaygın olarak kullanılan bir bileşendir ve birçok kullanışlı amplifikatör devresi oluşturmak için kullanılır.

Op-amp kullanarak basit Entegratör devresinin yapımı, iki pasif bileşen ve bir aktif bileşen gerektirir. İki pasif bileşen direnç ve kapasitördür. Direnç ve Kapasitör, etkin bileşen Op-Amp boyunca birinci dereceden düşük geçişli bir filtre oluşturur. Entegratör devresi, Op-amp farklılaştırıcı devresinin tam tersidir.

Basit bir Op-amp konfigürasyonu, bir geri bildirim yolu oluşturan iki dirençten oluşur. Integrator amplifikatör durumunda, geri besleme direnci bir kapasitör ile değiştirilir.

Yukarıdaki görüntüde, üç basit bileşenle temel bir entegratör devresi gösterilmektedir. Direnç R1 ve kapasitör C1, amplifikatöre bağlanır. Amplifikatör Ters çevirme konfigürasyonundadır.

Op-amp kazancı Sonsuzdur, bu nedenle amplifikatörün Ters çevirme girişi sanal bir topraktır. R1 boyunca bir voltaj uygulandığında, kapasitör çok düşük dirence sahip olduğundan akım dirençten geçmeye başlar. Kapasitör geri besleme konumunda bağlanmıştır ve kapasitörün direnci önemsizdir.

Bu durumda, amplifikatör kazanç oranı hesaplanırsa, sonuç birlikten daha düşük olacaktır. Kazanım oranı Bunun nedeni, X, _Cı- / R ₁ çok küçüktür. Pratik olarak, kapasitör plakalar arasında çok düşük bir dirence sahiptir ve R1 değeri ne olursa olsun, X _C / R _1'in çıktı sonucu çok düşük olacaktır.

Kondansatör giriş voltajı ile şarj olmaya başlar ve aynı oranda kondansatör empedansı da artmaya başlar. Şarj oranı, RC - R1 ve C1 zaman sabiti tarafından belirlenir. Op-amp sanal toprağı artık engelleniyor ve negatif geri besleme, giriş boyunca sanal toprak koşulunu korumak için op-amp boyunca bir çıkış voltajı üretecek.

Op-amp, kapasitör tamamen şarj olana kadar bir rampa çıkışı üretir. Kapasitör şarj akımı, Sanal toprak ile negatif çıkış arasındaki potansiyel farkın etkisiyle azalır.

Op-amp Entegratör Devresinin Çıkış Geriliminin Hesaplanması

Yukarıda açıklanan mekanizmanın tamamı matematiksel formasyon kullanılarak açıklanabilir.

Yukarıdaki resme bakalım. İR1, dirençten geçen akımdır. G, sanal zemindir. Ic1, kapasitörden geçen akımdır.

Kirchhoff'un mevcut yasası, sanal bir zemin olan G bağlantısına uygulanırsa, iR1, Ters çevirme terminaline (Op-amp pin 2) giren akım ile Kondansatör C1'den geçen akımın toplamı olacaktır.

iR ₁ = i _{ters çevirme terminali} + iC ₁

Op-amp ideal bir op-amp olduğundan ve G düğümü sanal bir toprak olduğundan, op-amp'in ters çevirme terminalinden hiçbir akım akmaz. Bu nedenle, i _{terminali tersine çevrilmesi} = 0

iR ₁ = iC ₁

C1 kapasitörünün voltaj-akım ilişkisi vardır. Formül -

Ben _C = C (dV _C / dt)

Şimdi bu formülü pratik bir senaryoda uygulayalım.

Daha önce gösterilen temel Entegratör devresinin bir dezavantajı vardır. Kondansatör DC'yi bloke eder ve bu nedenle Op-Amp devresinin DC kazancı Sonsuz olur. Bu nedenle, Op-amp Girişindeki herhangi bir DC voltajı, Op-amp çıkışını doyurur. Bu sorunun üstesinden gelmek için kondansatöre paralel olarak direnç eklenebilir. Direnç, devrenin DC kazancını sınırlar.

Integrator konfigürasyonundaki Op-Amp, farklı türde değişen giriş sinyalinde farklı çıkış sağlar. Bir Integrator amplifikatörünün çıkış davranışı, her Sinüs dalgası girişi, kare dalga girişi veya üçgen dalga girişi durumunda farklıdır.

Yayma Dalga girişinde Op-amp Entegratör Davranışı

Kare dalga, Entegratör Amplifikatörüne bir girdi olarak sağlanırsa, üretilen çıktı üçgen dalga veya testere dişi dalgası olacaktır. Böyle bir durumda devreye Rampa üreteci denir . Kare dalgada, voltaj seviyeleri Düşükten Yükseğe veya yüksekten düşüğe değişir, bu da kondansatörün şarj edilmesini veya deşarj olmasını sağlar.

Kare dalganın pozitif zirvesi sırasında, akım direnç üzerinden akmaya başlar ve bir sonraki aşamada, akım kondansatörden geçer. Op-amp üzerinden akım akışı sıfır olduğundan, kapasitör şarj olur. Tersi şey kare dalga girişinin negatif zirvesi sırasında olacaktır. Yüksek bir frekans için, kapasitörün tamamen şarj olması için çok az zaman alır.

Şarj ve deşarj oranı direnç kapasitör kombinasyonuna bağlıdır. Mükemmel entegrasyon için, giriş kare dalgasının frekansı veya periyodik süresi, devre zaman sabitinden daha az olmalıdır; bu sabit: T, CR'den küçük veya ona eşit olmalıdır (T <= CR).

Kare dalga üreteci devresi, kare dalgalar üretmek için kullanılabilir.

Sinüs dalgası girişinde Op-amp Entegratör Davranışı

Op-amp tabanlı bir Entegratör devresindeki giriş bir sinüs dalgasıysa, entegratör konfigürasyonundaki Op-amp, çıkış boyunca 90 derecelik bir faz dışı sinüs dalgası üretir. Buna kosinüs dalgası denir. Bu durumda, giriş bir sinüs dalgası olduğunda, entegratör devresi aktif bir düşük geçiş filtresi görevi görür.

Daha önce tartışıldığı gibi, düşük frekansta veya DC'de kapasitör, sonunda geri beslemeyi azaltan ve çıkış voltajı doygun hale gelen bir blokaj akımı üretir. Böyle bir durumda, kondansatöre paralel olarak bir direnç bağlanır. Bu eklenen direnç bir geri bildirim yolu sağlar.

Yukarıdaki görüntüde, C1 kondansatörüne paralel olarak ek bir direnç R2 bağlanmıştır. Çıkış sinüs dalgası 90 derece faz dışıdır.

Devrenin köşe frekansı olacak

Fc = 1 / 2πCR2

Ve genel DC kazancı şu şekilde hesaplanabilir -

Kazanç = -R2 / R1

Sinüs dalgası üreteci devresi, entegratör girişi için sinüs dalgaları oluşturmak için kullanılabilir.

Üçgen Dalga girişinde Op-amp Entegratör Davranışı

Üçgen dalga girişinde, op-amp yine sinüzoidal bir dalga üretir. Amplifikatör, düşük geçişli bir filtre görevi gördüğünden, yüksek frekanslı harmonikler büyük ölçüde azaltılır. Çıkış sinüs dalgası yalnızca düşük frekanslı harmoniklerden ve düşük genlikli çıkış iradesinden oluşur.

Op-amp Integrator Uygulamaları

Entegratör, enstrümantasyonun önemli bir parçasıdır ve Rampa üretiminde kullanılır.
Fonksiyon üretecinde, entegratör devresi üçgen dalgayı üretmek için kullanılır.
Entegratör, farklı tipte bir şarj amplifikatörü gibi dalga şekillendirme devrelerinde kullanılır.
Analog devre kullanılarak entegrasyonun yapılması gereken analog bilgisayarlarda kullanılır.
Entegratör devresi, analogdan dijitale dönüştürücüde de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Farklı sensörler ayrıca yararlı çıktıları yeniden üretmek için bir entegratör kullanır.