- Construcción y funcionamiento del circuito integrador de amplificador operacional
- Cálculo del voltaje de salida del circuito integrador del amplificador operacional
- Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada Square Wave
- Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada de onda sinusoidal
- Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada de onda triangular
- Aplicaciones del integrador de amplificador operacional
El amplificador operacional o amplificador operacional es la columna vertebral de la electrónica analógica y de muchas aplicaciones, como amplificador sumador, amplificador diferencial, amplificador de instrumentación, amplificador operacional también se puede usar como integrador, que es un circuito muy útil en aplicaciones relacionadas con analógicas.
En aplicaciones simples de amplificador operacional, la salida es proporcional a la amplitud de entrada. Pero cuando el amplificador operacional se configura como un integrador, también se considera la duración de la señal de entrada. Por lo tanto, un integrador basado en amplificador operacional puede realizar una integración matemática con respecto al tiempo. El integrador produce un voltaje de salida a través del amplificador operacional, que es directamente proporcional a la integral del voltaje de entrada; por lo tanto, la salida depende del voltaje de entrada durante un período de tiempo.
Construcción y funcionamiento del circuito integrador de amplificador operacional
El amplificador operacional es un componente muy utilizado en electrónica y se utiliza para construir muchos circuitos amplificadores útiles.
La construcción de un circuito integrador simple utilizando amplificador operacional requiere dos componentes pasivos y un componente activo. Los dos componentes pasivos son la resistencia y el condensador. La resistencia y el condensador forman un filtro de paso bajo de primer orden a través del componente activo Op-Amp. El circuito integrador es exactamente opuesto al circuito diferenciador del amplificador operacional.
Una configuración simple de amplificador operacional consta de dos resistencias, lo que crea una ruta de retroalimentación. En el caso del amplificador integrador, la resistencia de retroalimentación se cambia con un condensador.
En la imagen de arriba, se muestra un circuito integrador básico con tres componentes simples. La resistencia R1 y el condensador C1 están conectados a través del amplificador. El amplificador está en configuración inversora.
La ganancia del amplificador operacional es infinita, por lo tanto, la entrada inversora del amplificador es una tierra virtual. Cuando se aplica un voltaje a través del R1, la corriente comienza a fluir a través de la resistencia ya que el condensador tiene una resistencia muy baja. El condensador está conectado en la posición de retroalimentación y la resistencia del condensador es insignificante.
En esta situación, si se calcula la relación de ganancia del amplificador, el resultado será menor que la unidad. Esto se debe a que la relación de ganancia, X C / R 1 es demasiado pequeña. Prácticamente, el condensador tiene una resistencia muy baja entre las placas y cualquiera que sea el valor de R1, el resultado de salida de X C / R 1 será muy bajo.
El capacitor comienza a cargarse por el voltaje de entrada y en la misma proporción, la impedancia del capacitor también comienza a aumentar. La tasa de carga está determinada por la constante de tiempo RC de R1 y C1. La tierra virtual del amplificador operacional ahora está obstaculizada y la retroalimentación negativa producirá un voltaje de salida a través del amplificador operacional para mantener la condición de tierra virtual en la entrada.
El amplificador operacional produce una rampa de salida hasta que el condensador se carga por completo. La corriente de carga del condensador disminuye por la influencia de la diferencia de potencial entre la tierra virtual y la salida negativa.
Cálculo del voltaje de salida del circuito integrador del amplificador operacional
El mecanismo completo explicado anteriormente se puede describir usando formación matemática.
Veamos la imagen de arriba. El iR1 es la corriente que fluye a través de la resistencia. La G es el terreno virtual. El Ic1 es la corriente que fluye a través del condensador.
Si la ley de corriente de Kirchhoff se aplica a través de la unión G, que es una tierra virtual, el iR1 será la suma de la corriente que ingresa en el terminal de inversión (pin 2 del amplificador operacional) y la corriente que pasa por el condensador C1.
iR 1 = i terminal inversor + iC 1
Dado que el amplificador operacional es un amplificador operacional ideal y el nodo G es una tierra virtual, no fluye corriente a través del terminal inversor del amplificador operacional. Por lo tanto, i terminal inversor = 0
iR 1 = iC 1
El condensador C1 tiene una relación voltaje-corriente. La fórmula es
Yo C = C (dV C / dt)
Ahora apliquemos esta fórmula en un escenario práctico. los
El circuito integrador básico, que se muestra anteriormente, tiene un inconveniente. El condensador bloquea la CC y debido a esto, la ganancia de CC del circuito Op-Amp se vuelve infinita. Por lo tanto, cualquier voltaje de CC en la entrada del amplificador operacional satura la salida del amplificador operacional. Para superar este problema, se puede agregar resistencia en paralelo con el capacitor. La resistencia limita la ganancia de CC del circuito.
El amplificador operacional en la configuración del integrador proporciona una salida diferente en un tipo diferente de señal de entrada cambiante. El comportamiento de salida de un amplificador integrador es diferente en cada caso de entrada de onda sinusoidal, entrada de onda cuadrada o entrada de onda triangular.
Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada Square Wave
Si la onda cuadrada se proporciona como entrada al amplificador integrador, la salida producida será una onda triangular o una onda de diente de sierra. En tal caso, el circuito se llama generador de rampa. En onda cuadrada, los niveles de voltaje cambian de bajo a alto o de alto a bajo, lo que hace que el condensador se cargue o se descargue.
Durante el pico positivo de la onda cuadrada, la corriente comienza a fluir a través de la resistencia y en la siguiente etapa, la corriente fluye a través del capacitor. Dado que el flujo de corriente a través del amplificador operacional es cero, el condensador se carga. Lo contrario sucederá durante el pico negativo de la entrada de onda cuadrada. Para una frecuencia alta, el capacitor tiene un tiempo mínimo para cargarse por completo.
La tasa de carga y descarga depende de la combinación de resistencia y condensador. Para una integración perfecta, la frecuencia o el tiempo periódico de la onda cuadrada de entrada debe ser menor que la constante de tiempo del circuito, que se conoce como: T debe ser menor o igual que el CR (T <= CR).
El circuito generador de ondas cuadradas se puede utilizar para producir ondas cuadradas.
Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada de onda sinusoidal
Si la entrada a través de un circuito integrador basado en un amplificador operacional es una onda sinusoidal, el amplificador operacional en la configuración del integrador produce una onda sinusoidal desfasada de 90 grados en la salida. Esto se llama onda cosenoidal. Durante esta situación, cuando la entrada es una onda sinusoidal, el circuito integrador actúa como un filtro de paso bajo activo.
Como se discutió anteriormente, en baja frecuencia o en CC, el capacitor produce una corriente de bloqueo que eventualmente reduce la retroalimentación y la tensión de salida se satura. En tal caso, se conecta una resistencia en paralelo con el condensador. Esta resistencia adicional proporciona una ruta de retroalimentación.
En la imagen de arriba, una resistencia adicional R2 está conectada en paralelo con el condensador C1. La onda sinusoidal de salida está desfasada 90 grados.
La frecuencia de esquina del circuito será
Fc = 1 / 2πCR2
Y la ganancia de CC general se puede calcular usando:
Ganancia = -R2 / R1
El circuito generador de ondas sinusoidales se puede utilizar para generar ondas sinusoidales para la entrada del integrador.
Comportamiento del integrador del amplificador operacional en la entrada de onda triangular
En la entrada de onda triangular, el amplificador operacional vuelve a producir una onda sinusoidal. Como el amplificador actúa como un filtro de paso bajo, los armónicos de alta frecuencia se reducen considerablemente. La onda sinusoidal de salida solo consta de armónicos de baja frecuencia y la salida será de baja amplitud.
Aplicaciones del integrador de amplificador operacional
- El integrador es una parte importante de la instrumentación y se utiliza en la generación de rampas.
- En el generador de funciones, el circuito integrador se utiliza para producir la onda triangular.
- El integrador se utiliza en circuitos de conformación de ondas, como un tipo diferente de amplificador de carga.
- Se usa en computadoras analógicas, donde la integración debe realizarse utilizando el circuito analógico.
- El circuito integrador también se usa ampliamente en el convertidor analógico a digital.
- Los diferentes sensores también usan un integrador para reproducir salidas útiles.