- Costruzione e funzionamento del circuito integratore op-amp
- Calcolo della tensione di uscita del circuito integratore op-amp
- Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso dell'onda quadra
- Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso sinusoidale
- Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso dell'onda triangolare
- Applicazioni dell'integratore di amplificatori operazionali
L'amplificatore operazionale o amplificatore operazionale è la spina dorsale dell'elettronica analogica e di molte applicazioni, come l'amplificatore di somma, l'amplificatore differenziale, l'amplificatore di strumentazione, l' amplificatore operazionale può anche essere utilizzato come integratore che è un circuito molto utile nelle applicazioni analogiche.
In semplici applicazioni Op-Amp, l'uscita è proporzionale all'ampiezza di ingresso. Ma quando l' amplificatore operazionale è configurato come integratore, viene considerata anche la durata del segnale di ingresso. Pertanto, un integratore basato su amplificatore operazionale può eseguire l'integrazione matematica rispetto al tempo. L' integratore produce una tensione di uscita attraverso l'amplificatore operazionale, che è direttamente proporzionale all'integrale della tensione di ingresso; pertanto l'uscita dipende dalla tensione di ingresso per un periodo di tempo.
Costruzione e funzionamento del circuito integratore op-amp
L'amplificatore operazionale è un componente molto utilizzato in elettronica e viene utilizzato per costruire molti utili circuiti di amplificazione.
La costruzione di un semplice circuito integratore utilizzando amplificatore operazionale richiede due componenti passivi e un componente attivo. I due componenti passivi sono resistore e condensatore. Il resistore e il condensatore formano un filtro passa-basso di primo ordine attraverso l'amplificatore operazionale del componente attivo. Il circuito dell'integratore è esattamente l'opposto del circuito del differenziatore dell'amplificatore operazionale.
Una semplice configurazione dell'amplificatore operazionale consiste di due resistori, che creano un percorso di feedback. Nel caso dell'amplificatore integratore, il resistore di retroazione viene sostituito con un condensatore.
Nell'immagine sopra, un circuito integratore di base è mostrato con tre semplici componenti. Il resistore R1 e il condensatore C1 sono collegati attraverso l'amplificatore. L'amplificatore è in configurazione invertente.
Il guadagno dell'amplificatore operazionale è Infinito, quindi l'ingresso invertente dell'amplificatore è un terreno virtuale. Quando viene applicata una tensione attraverso R1, la corrente inizia a fluire attraverso il resistore poiché il condensatore ha una resistenza molto bassa. Il condensatore è collegato nella posizione di feedback e la resistenza del condensatore è insignificante.
In questa situazione, se viene calcolato il rapporto di guadagno dell'amplificatore, il risultato sarà inferiore all'unità. Questo perché il rapporto di guadagno, X C / R 1 è troppo piccolo. In pratica, il condensatore ha una resistenza molto bassa tra le piastre e qualunque sia il valore R1, il risultato di uscita di X C / R 1 sarà molto basso.
Il condensatore inizia a caricarsi dalla tensione di ingresso e nello stesso rapporto, anche l'impedenza del condensatore inizia ad aumentare. La velocità di ricarica è determinata dalla costante di tempo RC di R1 e C1. La terra virtuale dell'amplificatore operazionale ora è ostacolata e il feedback negativo produrrà una tensione di uscita attraverso l'amplificatore operazionale per mantenere la condizione della terra virtuale attraverso l'ingresso.
L'amplificatore operazionale produce un'uscita a rampa fino a quando il condensatore non si carica completamente. La corrente di carica del condensatore diminuisce per l'influenza della differenza di potenziale tra la terra virtuale e l'uscita negativa.
Calcolo della tensione di uscita del circuito integratore op-amp
Il meccanismo completo spiegato sopra può essere descritto utilizzando la formazione matematica.
Vediamo l'immagine sopra. L'iR1 è la corrente che scorre attraverso il resistore. La G è il terreno virtuale. Ic1 è la corrente che scorre attraverso il condensatore.
Se la legge attuale di Kirchhoff viene applicata attraverso la giunzione G, che è una massa virtuale, iR1 sarà la somma della corrente che entra nel terminale invertente (pin 2 dell'amplificatore operazionale) e della corrente che passa attraverso il condensatore C1.
iR 1 = i terminale invertente + iC 1
Poiché l'amplificatore operazionale è un amplificatore operazionale ideale e il nodo G è una massa virtuale, nessuna corrente scorre attraverso il terminale invertente dell'amplificatore operazionale. Pertanto, i terminale invertente = 0
iR 1 = iC 1
Il condensatore C1 ha una relazione tensione-corrente. La formula è -
Io C = C (dV C / dt)
Ora applichiamo questa formula in uno scenario pratico. Il
Il circuito integratore di base, mostrato in precedenza, presenta un inconveniente. Il condensatore blocca la CC e, a causa di ciò, il guadagno CC del circuito Op-Amp diventa Infinito. Pertanto, qualsiasi tensione CC all'ingresso dell'amplificatore operazionale satura l'uscita dell'amplificatore operazionale. Per superare questo problema, la resistenza può essere aggiunta in parallelo al condensatore. Il resistore limita il guadagno CC del circuito.
L'amplificatore operazionale nella configurazione dell'integratore fornisce un'uscita diversa in un diverso tipo di cambiamento del segnale di ingresso. Il comportamento di uscita di un amplificatore integratore è diverso in ogni caso di ingresso onda sinusoidale, ingresso onda quadra o ingresso onda triangolare.
Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso dell'onda quadra
Se l'onda quadra viene fornita come ingresso all'amplificatore integratore, l'uscita prodotta sarà un'onda triangolare o un'onda a dente di sega. In tal caso, il circuito è chiamato generatore di rampa. Nell'onda quadra, i livelli di tensione cambiano da basso ad alto o da alto a basso, il che fa caricare o scaricare il condensatore.
Durante il picco positivo dell'onda quadra, la corrente inizia a fluire attraverso il resistore e nella fase successiva, la corrente scorre attraverso il condensatore. Poiché il flusso di corrente attraverso l'amplificatore operazionale è zero, il condensatore si carica. La cosa inversa accadrà durante il picco negativo dell'ingresso dell'onda quadra. Per un'alta frequenza, il condensatore ha un tempo minimo per caricarsi completamente.
La velocità di carica e scarica dipende dalla combinazione resistore-condensatore. Per una perfetta integrazione, la frequenza o il tempo periodico dell'onda quadra in ingresso deve essere inferiore alla costante di tempo del circuito, che viene indicata come: T dovrebbe essere minore o uguale a CR (T <= CR).
Il circuito generatore di onde quadre può essere utilizzato per produrre onde quadre.
Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso sinusoidale
Se l'ingresso attraverso un circuito integratore basato su amplificatore operazionale è un'onda sinusoidale, l'amplificatore operazionale nella configurazione integratore produce un'onda sinusoidale sfasata di 90 gradi attraverso l'uscita. Questa è chiamata onda del coseno. In questa situazione, quando l'ingresso è un'onda sinusoidale, il circuito integratore funge da filtro passa basso attivo.
Come discusso in precedenza, che in bassa frequenza o in CC, il condensatore produce una corrente di blocco che alla fine riduce il feedback e la tensione di uscita si satura. In tal caso, un resistore è collegato in parallelo con il condensatore. Questo resistore aggiunto fornisce un percorso di feedback.
Nell'immagine sopra, un resistore aggiuntivo R2 è collegato in parallelo con il condensatore C1. L'onda sinusoidale in uscita è sfasata di 90 gradi.
La frequenza d'angolo del circuito sarà
Fc = 1 / 2πCR2
E il guadagno CC complessivo può essere calcolato utilizzando:
Guadagno = -R2 / R1
Il circuito del generatore di onde sinusoidali può essere utilizzato per generare onde sinusoidali per l'ingresso dell'integratore.
Comportamento dell'integratore operazionale sull'ingresso dell'onda triangolare
Nell'ingresso a onda triangolare, l'amplificatore operazionale produce nuovamente un'onda sinusoidale. Poiché l'amplificatore funge da filtro passa basso, le armoniche ad alta frequenza vengono notevolmente ridotte. L'onda sinusoidale in uscita consiste solo di armoniche a bassa frequenza e l'uscita sarà di ampiezza bassa.
Applicazioni dell'integratore di amplificatori operazionali
- L'integratore è una parte importante della strumentazione e viene utilizzato nella generazione di rampe.
- Nel generatore di funzioni, il circuito integratore viene utilizzato per produrre l'onda triangolare.
- L'integratore viene utilizzato nel circuito di modellazione dell'onda come un diverso tipo di amplificatore di carica.
- Viene utilizzato nei computer analogici, dove l'integrazione deve essere eseguita utilizzando il circuito analogico.
- Il circuito integratore è anche ampiamente utilizzato nel convertitore analogico / digitale.
- Diversi sensori utilizzano anche un integratore per riprodurre output utili.