מעגל משלב מגבר תפעולי: בנייה, עבודה ויישומים

מגבר אופ או מגבר תפעולי הוא עמוד השדרה של אלקטרוניקה אנלוגית ומתוך יישומים רבים, כגון מגבר סיכום, מגבר דיפרנציאלי, מגבר מכשור, מגבר אופ יכול לשמש גם כאינטגרטור שהוא מעגל שימושי מאוד ביישום אנלוגי.

ביישומי Op-Amp פשוטים, הפלט פרופורציונלי למשרעת הקלט. אך כאשר מגבר ה- OP מוגדר כאינטגרטור, משקל אות הכניסה נחשב גם כן. לכן, אינטגרטור מבוסס-מגבר יכול לבצע אינטגרציה מתמטית ביחס לזמן. אינטגרטור מייצר מתח המוצא על פני המגבר-אופ, אשר הוא ביחס ישר נפרד מתח קלט; לכן הפלט תלוי במתח הכניסה לאורך תקופה מסוימת.

בנייה ועבודה של מעגל אינטגרציה למגבר

מגבר אופ הוא רכיב בשימוש נרחב ביותר באלקטרוניקה ומשמש לבניית מעגלי מגברים שימושיים רבים.

בניית מעגל אינטגרטור פשוט באמצעות מגבר אופ דורשת שני רכיבים פסיביים ורכיב פעיל אחד. שני המרכיבים הפסיביים הם נגד וקבל. הנגד והקבל מהווים פילטר מעבר נמוך מסדר ראשון על הרכיב הפעיל Op-Amp. מעגל האינטגרטור הוא בדיוק ההפך ממעגל הבידול של Op-amp.

תצורת Op-amp פשוטה מורכבת משני נגדים, היוצרים נתיב משוב. במקרה של מגבר אינטגרטור, נגד משוב מוחלף באמצעות קבלים.

בתמונה שלעיל מוצג מעגל אינטגרטור בסיסי עם שלושה רכיבים פשוטים. הנגד R1 והקבל C1 מחוברים על פני המגבר. המגבר נמצא בתצורת היפוך.

רווח Op-amp הוא אינסופי, ולכן הקלט ההפוך של המגבר הוא קרקע וירטואלית. כאשר מפעילים מתח על פני ה- R1, הזרם מתחיל לזרום דרך הנגד מכיוון שלקבל יש התנגדות נמוכה מאוד. הקבל מחובר במצב המשוב והתנגדות הקבל אינה משמעותית.

במצב זה, אם יחושב יחס הרווח של המגבר, התוצאה תהיה פחות מהאחדות. הסיבה לכך היא שיחס הרווח, X _C / R ₁ קטן מדי. מעשית, לקבל יש התנגדות נמוכה מאוד בין הלוחות ולא משנה מה הערך R1, תוצאת הפלט של X _C / R ₁ תהיה נמוכה מאוד.

הקבל מתחיל להיטען על ידי מתח הכניסה ובאותו יחס, עכבת הקבל מתחילה לגדול. קצב הטעינה נקבע על ידי RC - קבוע הזמן של R1 ו- C1. כדור הארץ הווירטואלי של המגבר הקשה כעת והמשוב השלילי יפיק מתח יציאה על פני המגבר כדי לשמור על מצב כדור הארץ הווירטואלי על פני הקלט.

המגבר האופציונלי מייצר פלט רמפה עד שהקבל נטען לחלוטין. טעינת הקבל זרם פוחתת בהשפעת ההפרש הפוטנציאלי בין כדור הארץ הווירטואלי לתפוקה השלילית.

חישוב מתח היציאה של מעגל אינטגרציה אופ-מגבר

ניתן לתאר את המנגנון השלם שהוסבר לעיל באמצעות היווצרות מתמטית.

בואו נראה את התמונה לעיל. ה- iR1 הוא הזרם הזורם דרך הנגד. ה- G הוא הקרקע הווירטואלית. ה- Ic1 הוא הזרם הזורם דרך הקבל.

אם החוק הנוכחי של קירכהוף יוחל על פני צומת G, המהווה קרקע וירטואלית, ה- iR1 יהיה סכום הזרם שנכנס למסוף ההיפוך (סיכה אופ-אמפר 2) והזרם העובר דרך הקבל C1.

iR ₁ = i _{מסוף הפוך} + iC ₁

מכיוון שהמגבר הוא מגבר אופטימלי אידיאלי וצומת ה- G הוא קרקע וירטואלית, שום זרם לא זורם דרך מסוף ההיפוך של המגבר. לכן, אני _{הופך את המסוף} = 0

iR ₁ = iC ₁

לקבל C1 יש יחס זרם מתח. הנוסחה היא -

I _C = C (dV _C / dt)

עכשיו בואו נשתמש בנוסחה זו בתרחיש מעשי. ה

למעגל האינטגרטור הבסיסי, שמוצג בעבר, יש חסרון. הקבל חוסם את ה- DC ובשל כך, הרווח ה- DC של מעגל ה- Op-Amp הופך לאינסופי. לכן, כל מתח DC בכניסת המגבר, מרווה את יציאת המגבר. כדי להתגבר על בעיה זו, ניתן להוסיף התנגדות במקביל לקבל. הנגד מגביל את רווח ה- DC של המעגל.

אופ-מגבר בתצורת אינטגרטור מספק פלט שונה בסוג שונה של אות קלט משתנה. התנהגות הפלט של מגבר אינטגרטור שונה בכל מקרה של קלט גל סינוס, קלט גל מרובע או קלט גל משולש.

התנהגות של אינטגרטור מגבר על קלט גל מרובע

אם הגל המרובע מסופק כקלט למגבר האינטגרטור, הפלט המופק יהיה גל משולש או גל שן מסור. במקרה כזה, המעגל נקרא מחולל רמפות. בגל מרובע, רמות המתח משתנות מ נמוכה לגבוהה או גבוהה לנמוכה, מה שגורם לקבל להיטען או להתפרק.

במהלך השיא החיובי של הגל המרובע, הזרם מתחיל לזרום דרך הנגד ובשלב הבא, זרם הזרם דרך הקבל. מכיוון שזרם הזרם דרך המגבר האופסי הוא אפס, הקבל נטען. הדבר ההפוך יקרה במהלך השיא השלילי של קלט הגל המרובע. בתדר גבוה, הקבל מקבל זמן מינימלי מאוד לטעון באופן מלא.

שיעור הטעינה והפריקה תלויים שילוב הנגד קבלים. לצורך אינטגרציה מושלמת, התדר או הזמן התקופתי של גל הריבוע הקלט צריכים להיות פחות מקבוע זמן המעגל, המכונה: T צריך להיות קטן או שווה ל- CR (T <= CR).

מעגל גנרטור גל מרובע יכול לשמש לייצור גלים מרובעים.

התנהגות של אינטגרטור מגבר על קלט גל סינוס

אם הקלט על פני מעגל אינטגרטור מבוסס מגבר הוא גל סינוס, מגבר ה- Op בתצורת האינטגרטור מייצר גל סינוס פאזה של 90 מעלות על פני הפלט. זה נקרא גל קוסינוס. במהלך מצב זה, כאשר הקלט הוא גל סינוס, מעגל האינטגרטור משמש כמסנן פעיל נמוך.

כפי שנדון קודם לכן, שבתדירות נמוכה או ב DC, הקבל מייצר זרם חוסם שבסופו של דבר מפחית את המשוב ואת רווי מתח המוצא. במקרה כזה, נגד מחובר במקביל לקבל. הנגד הנוסף הזה מספק נתיב משוב.

בתמונה לעיל, נגר R2 נוסף מחובר במקביל לקבל C1. גל הסינוס המוצא נמצא מחוץ למצב 90 מעלות.

תדר המעגל בפינה יהיה

Fc = 1 / 2πCR2

ואת הרווח הכולל של DC ניתן לחשב באמצעות -

רווח = -R2 / R1

ניתן להשתמש במעגל מחולל גלי סינוס ליצירת גלי סינוס עבור קלט אינטגרטור.

התנהגות של אינטגרטור אופ-מגבר על קלט גל משולש

בקלט גל משולש, המגבר המייצר שוב מייצר גל סינוסי. מכיוון שהמגבר משמש כמסנן נמוך לעבור, ההרמוניות בתדר גבוה מצטמצמות מאוד. גל הסינוס המוצא מורכב רק מהרמוניות בתדרים נמוכים ורצון המוצא משרעת נמוכה.

יישומים של אינטגרטור Op-amp

1. אינטגרטור הוא חלק חשוב במכשור ומשמש לייצור רמפות.
2. בגנרטור פונקציות, מעגל האינטגרטור משמש להפקת הגל המשולש.
3. אינטגרטור משמש במעגל לעיצוב גלים כגון מגבר מטען מסוג אחר.
4. משתמשים בו במחשבים אנלוגיים, בהם יש צורך בשילוב באמצעות המעגל האנלוגי.
5. מעגל אינטגרטור נמצא בשימוש נרחב גם באנלוגי לממיר הדיגיטלי.
6. חיישנים שונים משתמשים גם באינטגרטור להפקת תפוקות שימושיות.