Схема интегратора операционного усилителя: конструкция, работа и применение

Операционный усилитель или операционный усилитель является основой аналоговой электроники и из многих приложений, таких как суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, операционный усилитель, также может использоваться в качестве интегратора, что является очень полезной схемой в аналоговых приложениях.

В простых приложениях операционного усилителя выходной сигнал пропорционален входной амплитуде. Но когда операционный усилитель настроен как интегратор, также учитывается длительность входного сигнала. Следовательно, интегратор на базе ОУ может выполнять математическое интегрирование по времени. Интегратора производит выходное напряжение на ОУ, который прямо пропорционален интеграл от входного напряжения; поэтому выход зависит от входного напряжения в течение определенного периода времени.

Конструкция и работа интегральной схемы операционного усилителя

Операционный усилитель - очень широко используемый компонент в электронике и используется для построения многих полезных схем усилителей.

Для построения простой схемы интегратора с использованием операционного усилителя требуются два пассивных компонента и один активный компонент. Два пассивных компонента - резистор и конденсатор. Резистор и конденсатор образуют фильтр нижних частот первого порядка через операционный усилитель активного компонента. Схема интегратора прямо противоположна схеме дифференциатора операционного усилителя.

Простая конфигурация операционного усилителя состоит из двух резисторов, которые создают путь обратной связи. В случае усилителя интегратора резистор обратной связи заменен конденсатором.

На изображении выше показана базовая схема интегратора с тремя простыми компонентами. Резистор R1 и конденсатор C1 подключены к усилителю. Усилитель находится в инвертирующей конфигурации.

Коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому инвертирующий вход усилителя является виртуальной землей. Когда на R1 подается напряжение, ток начинает течь через резистор, поскольку конденсатор имеет очень низкое сопротивление. Конденсатор включен в положение обратной связи и сопротивление конденсатора незначительное.

В этой ситуации, если рассчитать коэффициент усиления усилителя, результат будет меньше единицы. Это связано с тем, что коэффициент усиления X _C / R ₁ слишком мал. На практике конденсатор имеет очень низкое сопротивление между пластинами, и какое бы значение ни удерживалось R1, выходной результат X _C / R ₁ будет очень низким.

Конденсатор начинает заряжаться от входного напряжения, и в том же соотношении сопротивление конденсатора также начинает увеличиваться. Скорость зарядки определяется RC - постоянной времени R1 и C1. Виртуальное заземление операционного усилителя теперь затруднено, и отрицательная обратная связь будет производить выходное напряжение на операционном усилителе для поддержания состояния виртуального заземления на входе.

Операционный усилитель производит линейный выходной сигнал, пока конденсатор не будет полностью заряжен. Ток заряда конденсатора уменьшается за счет разности потенциалов между виртуальной землей и отрицательным выходом.

Расчет выходного напряжения схемы интегратора операционного усилителя

Полный механизм, описанный выше, можно описать с помощью математического построения.

Посмотрим на изображение выше. IR1 - это ток, протекающий через резистор. G - это виртуальная земля. Ic1 - это ток, протекающий через конденсатор.

Если закон Кирхгофа применяется к переходу G, который является виртуальной землей, iR1 будет суммой тока, поступающего на вывод инвертирования (вывод 2 операционного усилителя), и тока, проходящего через конденсатор C1.

iR ₁ = i _{инвертирующий терминал} + iC ₁

Поскольку операционный усилитель является идеальным операционным усилителем, а узел G является виртуальной землей, через инвертирующий вывод операционного усилителя не течет ток. Следовательно, i _{инвертирующий терминал} = 0

iR ₁ = iC ₁

Конденсатор C1 зависит от напряжения и тока. Формула -

I _C = C (dV _C / dt)

Теперь давайте применим эту формулу на практике. В

Базовая схема интегратора, показанная ранее, имеет недостаток. Конденсатор блокирует постоянный ток, и из-за этого коэффициент усиления постоянного тока схемы операционного усилителя становится бесконечным. Следовательно, любое постоянное напряжение на входе операционного усилителя насыщает выход операционного усилителя. Чтобы решить эту проблему, сопротивление можно добавить параллельно конденсатору. Резистор ограничивает усиление по постоянному току в цепи.

Операционный усилитель в конфигурации интегратора обеспечивает другой выходной сигнал при изменении входного сигнала другого типа. Выходные характеристики усилителя интегратора различаются в каждом случае входной синусоидальной волны, входной прямоугольной волны или входной треугольной волны.

Поведение интегратора операционного усилителя на входе прямоугольной волны

Если прямоугольная волна предоставляется в качестве входа для усилителя интегратора, полученный выходной сигнал будет треугольной или пилообразной волной. В таком случае схема называется генератором линейного изменения. В прямоугольной волне уровни напряжения изменяются с низкого на высокий или с высокого на низкий, что заставляет конденсатор заряжаться или разряжаться.

Во время положительного пика прямоугольной волны ток начинает течь через резистор, а на следующем этапе ток течет через конденсатор. Поскольку ток, протекающий через операционный усилитель, равен нулю, конденсатор заряжается. Обратное произойдет во время отрицательного пика входного сигнала прямоугольной формы. Для высокой частоты конденсатор полностью заряжается за минимальное время.

Скорость зарядки и разрядки зависит от комбинации резистора и конденсатора. Для идеального интегрирования частота или периодическое время входной прямоугольной волны должно быть меньше постоянной времени цепи, которая обозначается как: T должна быть меньше или равна CR (T <= CR).

Схема генератора прямоугольных волн может использоваться для создания прямоугольных волн.

Поведение интегратора операционного усилителя на синусоидальном входе

Если входной сигнал через схему интегратора на базе ОУ представляет собой синусоидальную волну, операционный усилитель в конфигурации интегратора создает на выходе синусоидальную волну, сдвинутую по фазе на 90 градусов. Это называется косинусоидальной волной. В этой ситуации, когда входной сигнал является синусоидальным, схема интегратора действует как активный фильтр нижних частот.

Как обсуждалось ранее, при низкой частоте или при постоянном токе конденсатор создает ток блокировки, который в конечном итоге снижает обратную связь, и выходное напряжение достигает насыщения. В этом случае резистор подключается параллельно конденсатору. Этот добавленный резистор обеспечивает обратную связь.

На изображении выше, дополнительный резистор R2 подключен параллельно конденсатору C1. Выходная синусоида сдвинута по фазе на 90 градусов.

Угловая частота схемы будет

Fc = 1 / 2πCR2

И общее усиление по постоянному току можно рассчитать, используя -

Усиление = -R2 / R1

Схема генератора синусоидальной волны может использоваться для генерации синусоидальных волн для входа интегратора.

Поведение интегратора операционного усилителя на входе треугольной волны

При вводе треугольной волны операционный усилитель снова выдает синусоидальную волну. Поскольку усилитель действует как фильтр нижних частот, высокочастотные гармоники значительно уменьшаются. Синусоидальная волна на выходе состоит только из низкочастотных гармоник, а на выходе будет низкая амплитуда.

Применение интегратора операционного усилителя

1. Интегратор является важной частью контрольно-измерительной аппаратуры и используется при генерации линейных изменений.
2. В функциональном генераторе схема интегратора используется для создания треугольной волны.
3. Интегратор используется в цепи формирования волны, такой как усилитель заряда другого типа.
4. Он используется в аналоговых компьютерах, где интеграция должна выполняться с использованием аналоговой схемы.
5. Схема интегратора также широко используется в аналогово-цифровом преобразователе.
6. Различные датчики также используют интегратор для воспроизведения полезных выходных сигналов.