Rangkaian integrator penguat operasional: konstruksi, pengerjaan dan aplikasi

Op-amp atau Penguat Operasional adalah tulang punggung Elektronik Analog dan dari banyak aplikasi, seperti Penguat Penjumlah, penguat diferensial, Penguat Instrumentasi, Op-Amp juga dapat digunakan sebagai integrator yang merupakan rangkaian yang sangat berguna dalam aplikasi terkait analog.

Dalam aplikasi Op-Amp sederhana, keluarannya sebanding dengan amplitudo masukan. Tetapi ketika op-amp dikonfigurasi sebagai integrator, durasi sinyal input juga dipertimbangkan. Oleh karena itu, integrator berbasis op-amp dapat melakukan integrasi matematis terhadap waktu. The integrator menghasilkan output tegangan op-amp, yang berbanding lurus dengan integral dari tegangan input; oleh karena itu keluarannya tergantung pada tegangan masukan selama periode waktu tertentu.

Konstruksi dan Cara Kerja Sirkuit Integrator Op-amp

Op-amp adalah komponen yang sangat banyak digunakan dalam Elektronika dan digunakan untuk membangun banyak rangkaian penguat yang berguna.

Pembangunan rangkaian integrator sederhana menggunakan op-amp membutuhkan dua komponen pasif dan satu komponen aktif. Dua komponen pasif tersebut adalah resistor dan kapasitor. Resistor dan Kapasitor membentuk filter low pass urutan pertama di seluruh komponen aktif Op-Amp. Rangkaian integrator justru kebalikan dari rangkaian diferensiator Op-amp.

Konfigurasi Op-amp sederhana terdiri dari dua resistor, yang menciptakan jalur umpan balik. Dalam kasus penguat Integrator, resistor umpan balik diubah dengan kapasitor.

Pada gambar di atas, rangkaian integrator dasar ditunjukkan dengan tiga komponen sederhana. Resistor R1 dan kapasitor C1 dihubungkan melintasi amplifier. Penguat dalam konfigurasi Pembalik.

Penguatan Op-amp adalah Tak Terbatas, oleh karena itu input Pembalik penguat adalah arde virtual. Ketika tegangan diterapkan melintasi R1, arus mulai mengalir melalui resistor karena kapasitor memiliki resistansi yang sangat rendah. Kapasitor dihubungkan pada posisi umpan balik dan resistansi kapasitor tidak signifikan.

Pada situasi ini, jika rasio penguatan penguat dihitung, hasilnya akan kurang dari satu. Ini karena rasio keuntungan, X _C / R ₁ terlalu kecil. Praktis, kapasitor memiliki resistansi yang sangat rendah antara pelat dan berapapun nilai R1 yang dipegang, hasil keluaran X _C / R ₁ akan sangat rendah.

Kapasitor mulai mengisi dengan tegangan input dan dalam rasio yang sama, impedansi kapasitor juga mulai meningkat. Tingkat pengisian ditentukan oleh konstanta waktu RC dari R1 dan C1. Pembumian virtual op-amp sekarang terhambat dan umpan balik negatif akan menghasilkan tegangan keluaran melintasi op-amp untuk menjaga kondisi pembumian maya melintasi masukan.

Op-amp menghasilkan keluaran ramp sampai kapasitor terisi penuh. Arus muatan kapasitor berkurang karena pengaruh perbedaan potensial antara pembumian Virtual dan keluaran negatif.

Menghitung Tegangan Output Rangkaian Integrator Op-amp

Mekanisme lengkap yang dijelaskan di atas dapat dijelaskan dengan menggunakan formasi matematika.

Mari kita lihat gambar di atas. IR1 adalah arus yang mengalir melalui resistor. G adalah tanah virtual. Ic1 adalah arus yang mengalir melalui kapasitor.

Jika hukum arus Kirchoff diterapkan melintasi persimpangan G, yang merupakan pembumian virtual, iR1 akan menjadi jumlah arus yang masuk di terminal Pembalik (Op-amp pin 2) dan arus yang melewati Kapasitor C1.

iR ₁ = i _{terminal pembalik} + iC ₁

Karena op-amp adalah op-amp yang ideal dan simpul G adalah pembumian virtual, tidak ada arus yang mengalir melalui terminal pembalik op-amp. Oleh karena itu, i _{terminal pembalik} = 0

iR ₁ = iC ₁

Kapasitor C1 memiliki hubungan tegangan-arus. Rumusnya adalah -

I _C = C (dV _C / dt)

Sekarang mari kita terapkan rumus ini dalam skenario praktis. Itu

Rangkaian Integrator dasar, yang ditunjukkan sebelumnya, memiliki kekurangan. Kapasitor memblokir DC dan karena ini, penguatan DC dari rangkaian Op-Amp menjadi Tak Terbatas. Oleh karena itu, tegangan DC apa pun pada Input Op-amp, menjenuhkan output Op-amp. Untuk mengatasi masalah ini, resistansi dapat ditambahkan secara paralel dengan kapasitor. Resistor membatasi penguatan DC dari rangkaian.

Op-Amp dalam konfigurasi Integrator memberikan keluaran yang berbeda dalam jenis sinyal masukan yang berbeda. Perilaku keluaran penguat Integrator berbeda dalam setiap kasus masukan gelombang Sinus, masukan gelombang persegi atau masukan gelombang segitiga.

Perilaku Integrator Op-amp pada input Gelombang Persegi

Jika gelombang persegi disediakan sebagai input ke Penguat Integrator, output yang dihasilkan adalah gelombang segitiga atau gelombang gigi gergaji. Dalam kasus seperti itu, rangkaian disebut generator Ramp. Dalam gelombang persegi, level tegangan berubah dari Rendah ke Tinggi atau tinggi ke rendah, yang membuat kapasitor terisi atau kosong.

Selama puncak positif gelombang persegi, arus mulai mengalir melalui resistor dan pada tahap berikutnya, arus mengalir melalui kapasitor. Karena arus yang mengalir melalui op-amp adalah nol, kapasitor akan terisi. Hal sebaliknya akan terjadi selama puncak negatif dari input gelombang persegi. Untuk frekuensi tinggi, kapasitor mendapat waktu yang sangat singkat untuk mengisi penuh.

Tingkat pengisian dan pemakaian tergantung pada kombinasi resistor-kapasitor. Untuk integrasi yang sempurna, frekuensi atau waktu periodik gelombang persegi masukan harus lebih kecil dari konstanta waktu rangkaian, yang disebut: T harus kurang dari atau sama dengan CR (T <= CR).

Rangkaian generator gelombang persegi dapat digunakan untuk menghasilkan gelombang persegi.

Perilaku Integrator Op-amp pada masukan Gelombang Sinus

Jika input yang melintasi rangkaian Integrator berbasis Op-amp adalah gelombang sinus, Op-amp dalam konfigurasi integrator menghasilkan gelombang sinus fase keluar 90 derajat di seluruh output. Ini disebut gelombang kosinus. Selama situasi ini, ketika input adalah gelombang sinus, rangkaian integrator bertindak sebagai filter akses rendah yang aktif.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, bahwa pada frekuensi rendah atau DC, kapasitor menghasilkan arus pemblokiran yang pada akhirnya mengurangi umpan balik dan tegangan keluaran menjadi jenuh. Dalam kasus seperti itu, resistor dihubungkan secara paralel dengan kapasitor. Resistor yang ditambahkan ini memberikan jalur umpan balik.

Pada gambar di atas, resistor tambahan R2 dihubungkan secara paralel dengan kapasitor C1. Gelombang sinus keluaran 90 derajat keluar dari fase.

Frekuensi sudut rangkaian akan menjadi

Fc = 1 / 2πCR2

Dan keuntungan DC keseluruhan dapat dihitung dengan menggunakan -

Dapatkan = -R2 / R1

Rangkaian generator gelombang sinus dapat digunakan untuk menghasilkan gelombang sinus sebagai input integrator.

Perilaku Integrator Op-amp pada input Gelombang Segitiga

Pada input gelombang segitiga, op-amp kembali menghasilkan gelombang sinusoidal. Karena penguat bertindak sebagai filter lolos rendah, harmonisa frekuensi tinggi sangat berkurang. Gelombang sinus keluaran hanya terdiri dari harmonisa frekuensi rendah dan keluaran akan beramplitudo rendah.

Aplikasi Op-amp Integrator

Integrator adalah bagian penting dari instrumentasi dan digunakan dalam pembuatan Ramp.
Pada function generator, rangkaian integrator digunakan untuk menghasilkan gelombang segitiga.
Integrator digunakan dalam rangkaian pembentuk gelombang seperti jenis penguat muatan yang berbeda.
Ini digunakan di komputer analog, di mana integrasi perlu dilakukan dengan menggunakan rangkaian analog.
Rangkaian integrator juga banyak digunakan pada konverter analog ke digital.
Sensor yang berbeda juga menggunakan integrator untuk mereproduksi keluaran yang berguna.