Bộ khuếch đại tích phân

Bộ tích phân Op-amp tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với biên độ và thời lượng của tín hiệu đầu vào

Bộ khuếch đại thuật toán có thể được sử dụng như một phần của bộ khuếch đại phản hồi dương hoặc âm hoặc như một mạch cộng hoặc loại trừ chỉ sử dụng điện trở thuần ở cả đầu vào và vòng phản hồi.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta thay đổi phần tử phản hồi hoàn toàn bằng điện trở ( Rƒ ) của bộ khuếch đại đảo với phần tử phức phụ thuộc tần số có trở kháng hay dung kháng, ( X ), chẳng hạn như Tụ điện C. Ảnh hưởng đến Chức năng chuyển tải khuếch đại điện áp của op-amp qua dải tần số của nó là kết quả của trở kháng phức tạp này.

Bằng cách thay thế điện trở phản hồi này bằng một tụ điện, giờ đây chúng ta có một Mạng RC được kết nối qua đường phản hồi của Bộ khuếch đại thuật toán tạo ra một loại mạch khuếch đại thuật toán khác thường được gọi là mạch tích phân Op-amp như hình dưới đây.

Mạch tích phân Op-amp

Như tên gọi của nó, Bộ tích phân Op-amp là một mạch khuếch đại thuật toán thực hiện phép toán tích phân , tức là chúng ta có thể khiến đầu ra phản ứng với những thay đổi của điện áp đầu vào theo thời gian khi bộ tích phân op-amp tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ với tích phân của điện áp đầu vào .

Nói cách khác, độ lớn của tín hiệu đầu ra được xác định bằng khoảng thời gian điện áp hiện diện ở đầu vào của nó khi dòng điện qua vòng phản hồi tích điện hoặc phóng điện qua tụ điện khi phản hồi âm bắt buộc xảy ra qua tụ điện.

Khi một điện áp Vin được đặt vào đầu vào của Bộ khuếch đại tích phân, tụ điện C chưa tích điện có rất ít điện trở và hoạt động giống như một đoạn ngắn mạch cho phép dòng điện cực đại chạy qua điện trở đầu vào Rin là hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện. Không có dòng điện nào chạy vào đầu vào của bộ khuếch đại và điểm X là đất ảo dẫn đến đầu ra bằng không. Vì trở kháng của tụ điện tại thời điểm này rất thấp, tỷ lệ khuếch đại XC / RIN cũng rất nhỏ tạo ra độ lợi điện áp tổng thể nhỏ hơn một.

Khi tụ điện phản hồi, C bắt đầu tích điện do ảnh hưởng của điện áp đầu vào, trở kháng Xc của nó tăng chậm tương ứng với tốc độ tích điện của nó. Tụ điện tích điện với tốc độ được xác định bởi hằng số thời gian RC, τ) của mạng RC nối tiếp. Phản hồi âm buộc op-amp tạo ra điện áp đầu ra duy trì điểm đất ảo ở đầu vào đảo của op-amp.

Vì tụ điện được kết nối giữa đầu vào đảo của op-amp (ở điện thế đất ảo) và đầu ra của op-amp (bây giờ là âm), điện áp Vc phát triển trên tụ điện từ từ tăng lên làm cho dòng sạc giảm khi trở kháng của tụ điện tăng lên. Điều này dẫn đến tỷ lệ Xc / Rin tăng lên tạo ra điện áp đầu ra đoạn đường nối tăng tuyến tính và tiếp tục tăng cho đến khi tụ điện được sạc đầy.

Tại thời điểm này, tụ điện hoạt động như một mạch hở, chặn bất kỳ dòng điện một chiều nào nữa. Tỷ lệ của tụ điện phản hồi với điện trở đầu vào ( XC / RIN ) hiện là vô hạn dẫn đến độ lợi vô hạn. Kết quả của độ lợi cao này (tương tự như độ lợi vòng hở op-amps), là đầu ra của bộ khuếch đại đi vào trạng thái bão hòa như hình dưới đây. (Sự bão hòa xảy ra khi điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thay đổi nhiều đến điện áp cung cấp với ít hoặc không có điều khiển ở giữa).

Tốc độ tăng điện áp đầu ra (tốc độ thay đổi) được xác định bởi giá trị của điện trở và tụ điện, ” hằng số thời gian RC “. Bằng cách thay đổi giá trị hằng số thời gian RC này , hoặc bằng cách thay đổi giá trị của Tụ điện, C hoặc Điện trở R thời gian mà điện áp đầu ra đạt đến mức bão hòa cũng có thể được thay đổi.

Nếu chúng ta áp dụng tín hiệu đầu vào thay đổi liên tục, chẳng hạn như sóng vuông vào đầu vào của Bộ khuếch đại tích phân thì tụ điện sẽ sạc và phóng điện để đáp ứng với những thay đổi trong tín hiệu đầu vào. Điều này dẫn đến tín hiệu đầu ra là dạng sóng răng cưa có đầu ra bị ảnh hưởng bởi hằng số thời gian RC của sự kết hợp điện trở / tụ điện vì ở tần số cao hơn, tụ điện có ít thời gian để sạc đầy hơn. Loại mạch này còn được gọi là mạch tạo sóng răng cưa và hàm truyền được đưa ra bên dưới.

Tạo xung răng cưa bằng op-amp tích phân

Chúng ta biết điện áp trên các bản của một tụ điện bằng điện tích trên tụ điện chia điện dung của nó cho Q / C . Sau đó, điện áp trên tụ điện là đầu ra Vout do đó: -Vout = Q / C . Nếu tụ điện vừa sạc vừa phóng điện thì tốc độ điện tích của hiệu điện thế trên tụ điện là:

Nhưng dQ / dt là dòng điện và vì điện áp nút của op-amp tích phân tại đầu vào đảo của nó bằng 0, X = 0 , dòng điện đầu vào I(in) chạy qua điện trở đầu vào, Rin được cho là:

Cường độ dòng điện chạy qua tụ điện hồi tiếp C có giá trị:

Giả sử rằng trở kháng đầu vào của op-amp là vô hạn (op-amp lý tưởng), không có dòng điện nào chạy vào đầu cuối op-amp. Do đó, phương trình nút tại đầu vào đảo được đưa ra là:

Từ đó chúng tôi lấy được đầu ra điện áp lý tưởng cho Bộ tích phân Op-amp là:

Để đơn giản hóa một chút phép toán, điều này cũng có thể được viết lại thành:

Trong đó: ω = 2πƒ và điện áp đầu ra Vout là hằng số 1 / RC nhân với tích phân của điện áp đầu vào VIN theo thời gian.

Do đó mạch có hàm truyền của một bộ tích phân đảo với hằng số khuếch đại -1 / RC. Dấu trừ ( – ) biểu thị sự lệch pha 180 o do tín hiệu đầu vào được kết nối trực tiếp với cực đầu vào đảo của Bộ khuếch đại thuật toán.

Bộ tích phân Op-amp AC hoặc Liên tục

Nếu chúng tôi thay đổi tín hiệu đầu vào của sóng vuông ở trên thành của sóng sin có tần số thay đổi , Bộ tích phân Op-amp sẽ ít giống một bộ tích phân hơn và bắt đầu hoạt động giống như một Bộ lọc thông thấp tích cực, truyền tín hiệu tần số thấp trong khi chặn tần số cao.

Ở tần số 0 (0Hz) hoặc DC, tụ điện hoạt động giống như một mạch hở do điện kháng của nó, do đó chặn mọi phản hồi điện áp đầu ra. Kết quả là rất ít phản hồi âm được cung cấp từ đầu ra trở lại đầu vào của bộ khuếch đại.

Do đó, chỉ với một tụ điện duy nhất C trong đường phản hồi, ở tần số 0, op-amp được kết nối hiệu quả như một bộ khuếch đại vòng hở bình thường với độ lợi vòng hở rất cao. Điều này dẫn đến việc op-amp trở nên không ổn định gây ra các điều kiện điện áp đầu ra không mong muốn và khả năng bão hòa điện áp.

Mạch này kết nối song song một điện trở có giá trị cao với một tụ điện nạp và xả liên tục. Việc mắc thêm điện trở hồi tiếp này, R2 qua tụ điện, C tạo cho mạch các đặc tính của một bộ khuếch đại nghịch lưu với độ lợi điện áp hữu hạn mạch kín cho bởi: R2 / R1 .

Kết quả là ở tần số cao, tụ điện cắt ra điện trở phản hồi này, R2 do ảnh hưởng của điện kháng làm giảm độ lợi của bộ khuếch đại. Ở tần số hoạt động bình thường, mạch hoạt động như một bộ tích phân tiêu chuẩn, trong khi ở tần số rất thấp gần 0Hz, khi C trở nên hở mạch do dung kháng của nó, độ lớn của độ lợi điện áp bị giới hạn và được điều khiển bởi tỷ số: R 2 / R 1 .

Bộ tích phân Op-amp AC với độ lợi được điều khiển

Không giống như Bộ khuếch đại tích phân DC ở trên có điện áp đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào sẽ là tích phân của dạng sóng để khi đầu vào là sóng vuông, dạng sóng đầu ra sẽ có dạng hình tam giác. Đối với bộ tích phân xoay chiều, dạng sóng đầu vào hình sin sẽ tạo ra một sóng hình sin khác vì đầu ra của nó sẽ lệch pha 90 o với đầu vào tạo ra sóng hình sin.

Hơn nữa, khi đầu vào là sóng hình tam giác, dạng sóng đầu ra cũng có dạng hình sin. Sau đó, điều này tạo thành cơ sở của Bộ lọc thông thấp tích cực như đã thấy trước đây trong hướng dẫn phần bộ lọc với tần số góc được đưa ra là.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ khuếch đại thuật toán, chúng ta sẽ xem xét một loại mạch khuếch đại thuật toán khác là đối lập hoặc bổ sung của mạch tích phân Op-amp ở trên được gọi là Bộ khuếch đại vi phân.

Như tên gọi của nó, Bộ khuếch đại vi phân tạo ra tín hiệu đầu ra là hoạt động toán học của sự khác biệt, tức là nó tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ với tốc độ thay đổi điện áp đầu vào và dòng điện chạy qua tụ điện đầu vào.