Op-Amp ως ολοκληρωτής και διαφοροποιητές | Λειτουργεί | 5+ Σημαντικά γεγονότα

Περιεχόμενα

  • Τι είναι το Integrator;
  • Αρχή λειτουργίας του Integrator
  • Κύκλωμα ολοκληρωτή Op-amp
  • Έξοδος ενός ολοκληρωτή
  • Παράγωγο του Op-amp ως ολοκληρωτή
  • Πρακτικός ολοκληρωτής op-amp
  • Εφαρμογές ολοκληρωτή
  • Τι είναι το διαφοροποιητή;
  • Op-amp ως διαφοροποιητής
  • Αρχή εργασίας του διαφοροποιητή
  • Κυματομορφή εξόδου ενός διαφοροποιητή
  • Εφαρμογές του διαφοροποιητή

Τι είναι Ολοκληρωτής?

Ορισμός του ολοκληρωτή

Εάν η διαδρομή ανάδρασης γίνεται μέσω πυκνωτή αντί αντίστασης, έχει δημιουργηθεί ένα Δίκτυο RC σε όλη τη διαδρομή αρνητικής ανάδρασης των λειτουργικών ενισχυτών. Αυτό το είδος παραγωγής διαμόρφωσης κυκλώματος βοηθά στην εφαρμογή μαθηματικής λειτουργίας, συγκεκριμένα στην ολοκλήρωση, και αυτό το λειτουργικό κύκλωμα ενισχυτή είναι γνωστό ως κύκλωμα ολοκληρωτή λειτουργικού ενισχυτή.

Η έξοδος του κυκλώματος είναι η ολοκλήρωση της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου με το χρόνο.

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αντιστρέφουν βασικά τους λειτουργικούς ενισχυτές (λειτουργούν στην αντιστροφή της διαμόρφωσης op-amp, με κατάλληλους πυκνωτές και αντιστάσεις), οι οποίοι γενικά παράγουν μια έξοδο τριγωνικού κύματος από μια είσοδο τετραγωνικού κύματος. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία τριγωνικών παλμών.

Op-amp ως ολοκληρωτής

Αρχή λειτουργίας του Integrator

Οι λειτουργικοί ενισχυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μαθηματικές εφαρμογές όπως Ενσωμάτωση και Διαφοροποίηση εφαρμόζοντας συγκεκριμένες διαμορφώσεις op-amp.

Όταν η διαδρομή ανάδρασης γίνεται μέσω πυκνωτή αντί αντίστασης, έχει δημιουργηθεί ένα Δίκτυο RC σε όλη τη διαδρομή αρνητικής ανάδρασης των λειτουργικών ενισχυτών. Αυτό το είδος παραγωγής διαμόρφωσης κυκλώματος βοηθά στην εφαρμογή μαθηματικής λειτουργίας, συγκεκριμένα στην ολοκλήρωση, και αυτό το λειτουργικό κύκλωμα ενισχυτή είναι γνωστό ως κύκλωμα ολοκληρωτή λειτουργικού ενισχυτή. Η έξοδος του κυκλώματος είναι η ολοκλήρωση της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου με το χρόνο.

Κύκλωμα ολοκληρωτή Op-amp

Κύκλωμα ολοκληρωτή Op-amp

Έξοδος ενός ολοκληρωτή

κυματομορφή εισόδου και εξόδου ενός ολοκληρωτή

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αντιστρέφουν βασικά τους λειτουργικούς ενισχυτές (λειτουργούν στην αντιστροφή της διαμόρφωσης op-amp, με κατάλληλους πυκνωτές και αντιστάσεις), οι οποίοι γενικά παράγουν μια έξοδο τριγωνικού κύματος από μια είσοδο τετραγωνικού κύματος. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία τριγωνικών παλμών.

Το ρεύμα στη διαδρομή ανάδρασης εμπλέκεται στη φόρτιση και την εκφόρτιση του πυκνωτή. Επομένως, το μέγεθος του σήματος εξόδου εξαρτάται από το χρονικό διάστημα που υπάρχει τάση (εφαρμόζεται) στον ακροδέκτη εισόδου του κυκλώματος.

Παράγωγο του Op-amp ως ολοκληρωτή

Όπως γνωρίζουμε από την έννοια της εικονικής γείωσης, η τάση στο σημείο 1 είναι 0V. Ως εκ τούτου, ο πυκνωτής υπάρχει μεταξύ των ακροδεκτών, ένας με μηδενικό δυναμικό και άλλος στο δυναμικό V0. Όταν εφαρμόζεται μια σταθερή τάση στην είσοδο, προκύπτει σε μια γραμμικά αυξανόμενη τάση (θετική ή αρνητική σύμφωνα με το σήμα του σήματος εισόδου) στην έξοδο της οποίας ο ρυθμός μεταβολής είναι ανάλογος με την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου.

Από τα παραπάνω κυκλώματα παρατηρείται, V1 = V2 = 0

Το ρεύμα εισόδου ως:

Λόγω των χαρακτηριστικών op-amp (η αντίσταση εισόδου του op-amp είναι άπειρη) καθώς το ρεύμα εισόδου στην είσοδο ενός op-amp είναι ιδανικά μηδέν. Επομένως, το ρεύμα που διέρχεται από την αντίσταση εισόδου από την εφαρμοζόμενη τάση εισόδου Vi έχει πετάξει κατά μήκος της διαδρομής ανατροφοδότησης στον πυκνωτή C1.

Επομένως, το ρεύμα από την πλευρά εξόδου μπορεί επίσης να εκφραστεί ως:

Εξισώνοντας τις παραπάνω εξισώσεις που έχουμε,

Επομένως, η έξοδος op-amp αυτού του ολοκληρωμένου κυκλώματος είναι:

Κατά συνέπεια, το κύκλωμα έχει σταθερά κέρδους -1 / RC. Το αρνητικό σημείο δείχνει προς το 180o αλλαγή φάσης.

Πρακτικό op-amp ως ενσωματωτής

Εάν εφαρμόσουμε σήμα εισόδου ημιτονοειδούς κύματος στον ολοκληρωτή, ο ολοκληρωτής επιτρέπει τη διέλευση σημάτων χαμηλής συχνότητας ενώ εξασθενεί τα μέρη υψηλών συχνοτήτων του σήματος. Ως εκ τούτου, συμπεριφέρεται σαν βαθυπερατό φίλτρο παρά έναν ολοκληρωτή.

Ο πρακτικός ολοκληρωτής έχει και άλλους περιορισμούς. Σε αντίθεση με τα ιδανικά op-amp, τα πρακτικά op-amp έχουν πεπερασμένο κέρδος ανοικτού βρόχου, πεπερασμένη αντίσταση εισόδου, τάση μετατόπισης εισόδου και ρεύμα πόλωσης εισόδου. Αυτή η απόκλιση από ένα ιδανικό op-amp μπορεί να επηρεάσει την εργασία με διάφορους τρόπους. Για παράδειγμα, εάν Vin = 0, το ρεύμα διέρχεται από τον πυκνωτή λόγω της παρουσίας τάσης όφσετ εξόδου και ρεύματος πόλωσης εισόδου. Αυτό προκαλεί την μετατόπιση της τάσης εξόδου με την πάροδο του χρόνου έως την κορεσμό του op-amp. Εάν το ρεύμα τάσης εισόδου είναι μηδέν στην περίπτωση του ιδανικού op-amp, τότε δεν πρέπει να υπάρχει μετατόπιση, αλλά δεν ισχύει για την πρακτική περίπτωση.

Για να ακυρώσουμε το αποτέλεσμα που προκαλείται λόγω του ρεύματος πόλωσης εισόδου, πρέπει να τροποποιήσουμε το κύκλωμα έτσι ώστε το Rom = R1|| ΡF|| ΡL

Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση σφάλματος θα είναι 

Επομένως, η ίδια πτώση τάσης εμφανίζεται τόσο στους θετικούς όσο και στους αρνητικούς ακροδέκτες λόγω του ρεύματος πόλωσης εισόδου.

Για έναν ιδανικό op-amp που λειτουργεί σε κατάσταση dc, ο πυκνωτής λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα και επομένως το κέρδος του κυκλώματος είναι άπειρο. Για να ξεπεραστεί αυτό, μια αντίσταση υψηλής τιμής RF συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή στη διαδρομή ανάδρασης. Εξαιτίας αυτού, το κέρδος του κυκλώματος περιορίζεται σε μια πεπερασμένη τιμή (ουσιαστικά μικρό) και ως εκ τούτου λαμβάνει ένα μικρό σφάλμα τάσης.

πρακτικός ολοκληρωτής op-amp
  • VΙΟΣ αναφέρεται στην τάση μετατόπισης εισόδου
  • IBI αναφέρεται στο ρεύμα προκατάληψης εισόδου

Τι είναι το διαφοροποιητή;

Ορισμός του Διαφοροποιητής

Εάν η αντίσταση εισόδου στο τερματικό αναστροφής αντικατασταθεί από έναν πυκνωτή, έχει δημιουργηθεί ένα δίκτυο RC σε όλη τη διαδρομή αρνητικής ανάδρασης των ενισχυτών λειτουργίας. Αυτό το είδος διαμόρφωσης κυκλώματος βοηθά στην εφαρμογή διαφοροποίησης της τάσης εισόδου και αυτή η διαμόρφωση κυκλώματος λειτουργικού ενισχυτή είναι γνωστή ως κύκλωμα διαφορικού λειτουργικού ενισχυτή.

Ένας λειτουργικός διαφορικός ενισχυτής λειτουργεί βασικά ως φίλτρο υψηλής διέλευσης και, το πλάτος της τάσης εξόδου που παράγεται από το διαφοροποιητή είναι ανάλογο με την αλλαγή της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου.

Op-amp ως διαφοροποιητής

Όπως έχουμε μελετήσει νωρίτερα στο κύκλωμα ολοκληρωτή, τα op-amp μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή διαφορετικών μαθηματικών εφαρμογών. Εδώ θα μελετήσουμε λεπτομερώς τη διαφορική διαμόρφωση op-amp. Ο ενισχυτής διαφοροποίησης χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία σχημάτων κυμάτων και επίσης σε διαμορφωτές συχνότητας.

Ένας λειτουργικός διαφορικός ενισχυτής λειτουργεί βασικά ως φίλτρο υψηλής διέλευσης και, το πλάτος της τάσης εξόδου που παράγεται από το διαφοροποιητή είναι ανάλογο με την αλλαγή της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου.

Αρχή εργασίας του διαφοροποιητή

Όταν η αντίσταση εισόδου στο τερματικό αναστροφής αντικαθίσταται από έναν πυκνωτή, έχει δημιουργηθεί ένα δίκτυο RC σε όλη τη διαδρομή αρνητικής ανάδρασης των ενισχυτών λειτουργίας. Αυτό το είδος διαμόρφωσης κυκλώματος βοηθά στην εφαρμογή διαφοροποίησης της τάσης εισόδου και αυτή η διαμόρφωση κυκλώματος λειτουργικού ενισχυτή είναι γνωστή ως κύκλωμα διαφορικού λειτουργικού ενισχυτή.

Σε ένα διαφοροποιημένο κύκλωμα op-amp, η έξοδος του κυκλώματος είναι η διαφοροποίηση της τάσης εισόδου που εφαρμόζεται στο op-amp σε σχέση με το χρόνο. Επομένως, ο διαφοροποιητής op-amp λειτουργεί σε μια αντιστροφή ενισχυτή, η οποία προκαλεί την έξοδο να είναι 180 μοίρες εκτός φάσης με την είσοδο. Η διαφοροποίηση της διαμόρφωσης op-amp ανταποκρίνεται γενικά σε τριγωνικές ή ορθογώνιες κυματομορφές εισόδου.

Ένα κύκλωμα διαφοροποιητή

διαφοροποιητές
Κύκλωμα διαφορικού Op-amp

Όπως φαίνεται στο σχήμα, πραγματοποιήθηκε μια σειρά πυκνωτών σε σύνδεση με την πηγή τάσης εισόδου. Ο πυκνωτής εισόδου C1 αρχικά δεν έχει φορτιστεί και ως εκ τούτου λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα. Ο μη αναστρέψιμος ακροδέκτης του ενισχυτή συνδέεται στη γείωση, ενώ ο ακροδέκτης εισόδου αναστροφής είναι μέσω της αντίστασης αρνητικής ανάδρασης Rf και συνδέεται στο τερματικό εξόδου.

Λόγω των ιδανικών χαρακτηριστικών op-amp (η αντίσταση εισόδου του op-amp είναι άπειρη) καθώς το ρεύμα εισόδου, I στην είσοδο ενός op-amp είναι ιδανικά μηδέν. Επομένως, το ρεύμα που ρέει μέσω του πυκνωτή (σε αυτήν τη διαμόρφωση, η αντίσταση εισόδου αντικαθίσταται από έναν πυκνωτή) λόγω της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου Vin ρέει κατά μήκος της διαδρομής ανατροφοδότησης μέσω της αντίστασης ανατροφοδότησης Rf.

Όπως παρατηρείται από το σχήμα, το σημείο X είναι ουσιαστικά γειωμένο (σύμφωνα με την έννοια της εικονικής γείωσης) επειδή το τερματικό εισόδου μη αναστροφής είναι γειωμένο (το σημείο Υ είναι δυναμικό γείωσης, δηλαδή 0V).

Κατά συνέπεια, Vx = Vy = 0

Όσον αφορά τον πλευρικό πυκνωτή εισόδου, το ρεύμα που μεταφέρει τον πυκνωτή μπορεί να γραφτεί ως:

Όσον αφορά την αντίσταση ανάδρασης στην πλευρά εξόδου, το ρεύμα που διατρέχει μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

Από τις παραπάνω εξισώσεις όταν εξισώνουμε τα ρεύματα και στα δύο αποτελέσματα που έχουμε,

Το κύκλωμα διαφοροποιητή ενισχυτή απαιτεί πολύ μικρή σταθερά χρόνου για την εφαρμογή του (διαφοροποίηση), και ως εκ τούτου είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματά του.

Η τιμή του προϊόντος C1Rf είναι γνωστή ως σταθερά χρόνου του διαφοροποιητή και η έξοδος του διαφοροποιητή είναι C1Rf φορές τη διαφοροποίηση του Vin σήμα. Το σύμβολο -ve στην εξίσωση αναφέρεται ότι η έξοδος είναι 180o διαφορά φάσης με αναφορά στην είσοδο.

Όταν εφαρμόζουμε μια σταθερή τάση με αλλαγή ενός βήματος σε t = 0 σαν σήμα βήματος στον ακροδέκτη εισόδου του διαφοροποιητή, η έξοδος θα πρέπει να είναι ιδανικά μηδενική καθώς η διαφοροποίηση της σταθεράς είναι μηδέν. Στην πράξη, η έξοδος δεν είναι ακριβώς μηδενική, διότι το συνεχές κύμα εισόδου διαρκεί αρκετό χρόνο για να μετακινηθεί από 0 βολτ σε κάποιο Vmax βολτ. Επομένως, η κυματομορφή εξόδου φαίνεται να έχει μια ακίδα στο χρόνο t = 0.

Κυματομορφή εξόδου που περιέχει ακίδα

Επομένως, για μια είσοδο τετραγωνικού κύματος, λαμβάνουμε κάτι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα,

Κυματομορφή εξόδου ενός διαφοροποιητή για είσοδο τετραγωνικού κύματος

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με την Ηλεκτρονική και την εξήγηση λεπτομερειών τους  Κάνε κλικ εδώ

.

Σχετικά με τον Amrit Shaw

Συνδεθείτε στον πρώην συντάκτη μας: LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)

Lambda Geeks