Aplikasi Op Amp ke 6 : INTEGRATOR AMPLIFIER

tutorial sebelumnya kita telah melihat rangkaian yang menunjukkan bagaimana penguat operasional dapat digunakan sebagai bagian dari penguat umpan balik positif atau negatif atau sebagai penambah atau jenis subtractor (pengurang) yang hanya  menggunakan resistensi  murni baik dalam input dan umpan balik. Tapi bagaimana jika kita mengubah resistif murni (  Rƒ  ) sebagai elemen umpan balik dari sebuah penguat pembalik dengan sebuah frekuensi impedansi, (  Z  ) digunakan  jenis elemen yang kompleks, seperti kapasitor, C . Apakah yang akan menjadi efek pada  tegangan output selama rentang frekuensi tertentu.

Dengan mengganti resistensi umpan balik ini dengan kapasitor kita sekarang memiliki Jaringan RC terhubung di operasional amplifier jalur umpan balik,     maka akan  terbentuk  jenis lain dari rangkaian penguat operasional yang biasa disebut Op-amp Integrator sirkuit seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Op-amp Integrator Circuit

Seperti namanya, para Op-amp Integrator adalah rangkaian penguat operasional yang melakukan operasi matematika dari Integrasi , yaitu kita dapat menyebabkan output untuk menanggapi perubahan tegangan input dari waktu ke waktu,  sebagai integrator op-amp menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan integral dari tegangan input .

Dalam kata lain besarnya sinyal output ditentukan oleh lamanya waktu tegangan hadir pada input sebagai arus melalui  umpan balik atau dibuang kapasitor sebagai umpan balik negatif yang diperlukan terjadi melalui kapasitor.

Ketika tegangan  Vin diterapkan pada masukan dari sebuah penguat mengintegrasikan, kapasitor bermuatan C memiliki sangat sedikit perlawanan dan bertindak sedikit seperti sebuah sirkuit pendek yang memungkinkan arus maksimum mengalir melalui resistor input, Rin sebagai beda potensial ada antara dua piring. Tidak ada arus yang mengalir ke dalam amplifier masukan dan titik Xadalah bumi maya menghasilkan keluaran nol. Sebagai impedansi kapasitor pada saat ini sangat rendah, rasio keuntungan Xc / Rin juga sangat kecil memberikan gain tegangan keseluruhan kurang dari satu, (rangkaian pengikut tegangan).

Sebagai umpan balik kapasitor, C mulai mengisi karena pengaruh dari tegangan input, impedansi Xc perlahan-lahan meningkat seiring dengan laju arus kapasitor. Nilai kapasitansi  kapasitor sampai pada tingkat yang ditentukan oleh waktu RC konstan, ( τ ) dari jaringan seri RC. Umpan balik negatif memaksa op-amp untuk menghasilkan tegangan output yang memelihara bumi virtual di pembalik masukan op-amp.

Karena kapasitor terhubung antara inverting input op-amp (yang berada pada potensial bumi) dan output op-amp (yang negatif), tegangan potensial, Vcdikembangkan di kapasitor perlahan-lahan meningkat menyebabkan arus pengisian menurun sebagai impedansi kapasitor meningkat. Hal ini menyebabkan rasio Xc / Rin meningkat menghasilkan peningkatan linear ramp tegangan output yang terus meningkat hingga kapasitor terisi penuh.

Pada titik ini kapasitor bertindak sebagai rangkaian terbuka, memblokir setiap aliran yang lebih dari arus DC. Rasio umpan balik kapasitor untuk masukan resistor ( Xc / Rin ) kini tak terbatas menghasilkan keuntungan yang tak terbatas. Hasil keuntungan ini tinggi (mirip dengan op-amp gain loop terbuka), adalah bahwa output dari penguat masuk ke saturasi seperti yang ditunjukkan di bawah ini. (Saturasi terjadi ketika tegangan keluaran dari penguat ayunan besar-besaran untuk satu rel suplai tegangan atau yang lain dengan sedikit atau tidak ada kontrol di antara).

Tingkat di mana output meningkat tegangan (laju perubahan) ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor, " waktu RC konstan ". Dengan mengubah iniRC nilai konstanta waktu, baik dengan mengubah nilai kapasitor, C atau Resistor tersebut, R , waktu di mana dibutuhkan tegangan output untuk mencapai kejenuhan juga dapat diubah misalnya.

Jika kita menerapkan sinyal input terus berubah seperti gelombang persegi ke input dari sebuah Integrator Amplifier maka kapasitor akan mengisi dan debit dalam menanggapi perubahan dalam sinyal input. Hal ini menyebabkan sinyal output adalah bahwa dari bentuk gelombang gigi gergaji yang frekuensi tergantung pada RC waktu yang konstan dari kombinasi resistor / kapasitor. Jenis sirkuit ini juga dikenal sebagai Generator Ramp dan fungsi transfer diberikan di bawah ini.

Op-amp Integrator Ramp Generator

Kita tahu dari kepala sekolah pertama bahwa tegangan pada pelat sebuah kapasitor adalah sama dengan muatan pada kapasitor dibagi dengan kapasitansi memberikan Q / C . Kemudian tegangan kapasitor adalah output Vout karena itu: -Vout = Q / C . Jika kapasitor pengisian dan pemakaian, tingkat biaya dari tegangan kapasitor diberikan sebagai:

Tapi dQ / dt adalah arus listrik dan karena tegangan simpul dari mengintegrasikan op-amp pada terminal input pembalik adalah nol, X = 0 , arus masukan I (in)yang mengalir melalui resistor input, Rin diberikan sebagai:

Arus yang mengalir melalui kapasitor umpan balik Cdiberikan sebagai:

Dengan asumsi bahwa impedansi input dari op-amp adalah tak terbatas (ideal op-amp), tidak ada arus yang mengalir ke terminal op-amp. Oleh karena itu, persamaan nodal pada terminal masukan pembalik diberikan sebagai:

Dari mana kita memperoleh output tegangan ideal untuk Op-amp Integrator sebagai:

Untuk menyederhanakan matematika yang sedikit, ini juga bisa ditulis ulang sebagai:

Dimana ω = 2πƒ dan tegangan keluaran Vout adalah konstanta 1/RC kali integral dari tegangan input Vinterhadap waktu. Tanda minus (  -  ) menunjukkan 180 opergeseran fasa karena sinyal input terhubung langsung ke terminal masukan pembalik op op-amp.

AC atau berkelanjutan Op-amp Integrator

Jika kita mengubah sinyal input gelombang persegi di atas dengan sebuah gelombang sinus frekuensi memvariasikan Op-amp Integrator melakukan kurang seperti integrator dan mulai berperilaku lebih seperti aktif "Low Pass Filter", lewat sinyal frekuensi rendah, sementara pelemahan tinggi frekuensi.

Pada 0Hz atau DC, kapasitor bertindak seperti sebuah sirkuit terbuka memblokir tegangan umpan balik yang mengakibatkan umpan balik negatif sangat sedikit dari output kembali ke input penguat. Kemudian hanya dengan umpan balik kapasitor, C , penguat secara efektif terhubung sebagai loop terbuka amplifier biasa yang memiliki gain loop terbuka sangat tinggi sehingga tegangan output jenuh.

Sirkuit ini menghubungkan resistensi bernilai tinggi secara paralel dengan terus pengisian dan pemakaian kapasitor. Penambahan resistor umpan balik ini, R 2pada kapasitor, C memberikan rangkaian karakteristik dari sebuah penguat pembalik dengan gain loop tertutup terbatas R 2 / R 1 . Hasilnya adalah pada frekuensi sangat rendah sirkuit bertindak sebagai integrator standar, sementara pada frekuensi yang lebih tinggi celana pendek kapasitor keluar resistor umpan balik, R 2 karena efek dari reaktansi kapasitif mengurangi gain amplifier.

AC Op-amp Integrator dengan DC Gain Control

Berbeda dengan DC integrator amplifier di atas yang tegangan output pada setiap saat akan menjadi integral dari gelombang sehingga ketika input adalah gelombang persegi, gelombang keluaran akan segitiga.Untuk integrator AC, bentuk gelombang input sinusoidal akan menghasilkan gelombang sinus lain sebagai output yang akan 90 o out-of-fase dengan input menghasilkan gelombang kosinus. Lebih lanjut, ketika input segitiga, gelombang keluaran juga sinusoidal. Hal ini kemudian membentuk dasar dariActive Low Pass Filter seperti yang terlihat sebelumnya di tutorial bagian filter dengan frekuensi sudut diberikan sebagai.

Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat Operasional, kita akan melihat jenis lain dari rangkaian penguat operasional yang merupakan kebalikan atau komplemen dari Op-amp Integrator rangkaian di atas disebut Diferensiator Amplifier . Seperti namanya, penguat pembeda menghasilkan sinyal output yang merupakan operasi matematika diferensiasi, yang itu menghasilkan tegangan output yang sebanding dengan tegangan input yang rate-of-perubahan dan arus yang mengalir melalui input kapasitor.