Mạch tích hợp bộ khuếch đại hoạt động: cấu tạo, làm việc và ứng dụng

Op-amp hoặc Bộ khuếch đại hoạt động là xương sống của Điện tử tương tự và trong số nhiều ứng dụng, chẳng hạn như Bộ khuếch đại tổng hợp, bộ khuếch đại vi sai, Bộ khuếch đại đo lường, Op-Amp cũng có thể được sử dụng như bộ tích hợp, đây là một mạch rất hữu ích trong các ứng dụng liên quan đến tương tự.

Trong các ứng dụng Op-Amp đơn giản, đầu ra tỷ lệ với biên độ đầu vào. Nhưng khi op-amp được cấu hình như một bộ tích hợp, thời lượng của tín hiệu đầu vào cũng được xem xét. Do đó, bộ tích hợp dựa trên op-amp có thể thực hiện tích hợp toán học theo thời gian. Bộ tích hợp tạo ra điện áp đầu ra trên op-amp, tỷ lệ thuận với tích phân của điện áp đầu vào; do đó đầu ra phụ thuộc vào điện áp đầu vào trong một khoảng thời gian.

Cấu tạo và hoạt động của mạch tích hợp Op-amp

Op-amp là thành phần được sử dụng rất rộng rãi trong Điện tử và được sử dụng để xây dựng nhiều mạch khuếch đại hữu ích.

Việc xây dựng mạch Tích hợp đơn giản sử dụng op-amp yêu cầu hai thành phần thụ động và một thành phần tích cực. Hai thành phần thụ động là điện trở và tụ điện. Điện trở và Tụ điện tạo thành bộ lọc thông thấp bậc nhất trên Op-Amp thành phần hoạt động. Mạch tích phân hoàn toàn ngược lại với mạch phân biệt Op-amp.

Một cấu hình Op-amp đơn giản bao gồm hai điện trở, tạo ra một đường phản hồi. Trong trường hợp của bộ khuếch đại Tích hợp, điện trở phản hồi được thay đổi bằng một tụ điện.

Trong hình trên, một mạch tích hợp cơ bản được hiển thị với ba thành phần đơn giản. Điện trở R1 và tụ điện C1 được nối qua bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại ở cấu hình Đảo ngược.

Độ lợi op-amp là Vô hạn, do đó đầu vào Đảo ngược của bộ khuếch đại là một mặt đất ảo. Khi một điện áp được đặt trên R1, dòng điện bắt đầu chạy qua điện trở vì tụ điện có điện trở rất thấp. Tụ điện mắc ở vị trí hồi tiếp và dung kháng của tụ điện không đáng kể.

Ở tình huống này, nếu tính toán tỷ số khuếch đại khuếch đại, kết quả sẽ nhỏ hơn sự thống nhất. Điều này là do tỷ lệ khuếch đại, X _C / R ₁ quá nhỏ. Thực tế, tụ điện có điện trở giữa các bản cực rất thấp và bất kể giá trị nào mà R1 giữ, kết quả đầu ra của X _C / R ₁ sẽ rất thấp.

Tụ điện bắt đầu tích điện bởi điện áp đầu vào và theo cùng một tỷ lệ, trở kháng của tụ điện cũng bắt đầu tăng lên. Tốc độ sạc được xác định bởi RC - hằng số thời gian của R1 và C1. Op-amp ảo trái đất hiện đã bị cản trở và phản hồi tiêu cực sẽ tạo ra điện áp đầu ra trên op-amp để duy trì điều kiện trái đất ảo trên đầu vào.

Op-amp tạo ra một đầu ra dốc cho đến khi tụ điện được sạc đầy. Dòng điện tích của tụ điện giảm do ảnh hưởng của hiệu điện thế giữa Trái đất ảo và đầu ra âm.

Tính toán điện áp đầu ra của mạch tích hợp Op-amp

Cơ chế hoàn chỉnh được giải thích ở trên có thể được mô tả bằng cách sử dụng hình thức toán học.

Chúng ta hãy xem hình ảnh trên. IR1 là dòng điện chạy qua điện trở. G là mặt đất ảo. Ic1 là dòng điện chạy qua tụ điện.

Nếu định luật hiện tại của Kirchhoff được áp dụng trên đường giao nhau G, là mặt đất ảo, iR1 sẽ là tổng dòng điện đi vào đầu nối Đảo chiều (chân Op-amp 2) và dòng điện đi qua Tụ điện C1.

iR ₁ = i _{nghịch đảo đầu cuối} + iC ₁

Vì op-amp là một op-amp lý tưởng và nút G là một mặt đất ảo, không có dòng điện nào chạy qua thiết bị đầu cuối đảo ngược của op-amp. Do đó, tôi _{nghịch đảo đầu cuối} = 0

iR ₁ = iC ₁

Tụ C1 có mối quan hệ hiệu điện thế - cường độ dòng điện. Công thức là -

I _C = C (dV _C / dt)

Bây giờ chúng ta hãy áp dụng công thức này trong một kịch bản thực tế. Các

Mạch Tích hợp cơ bản, được trình bày trước đây, có một nhược điểm. Tụ điện chặn DC và do đó, độ lợi DC của mạch Op-Amp trở nên Vô hạn. Do đó, bất kỳ điện áp DC nào tại Đầu vào Op-amp, sẽ bão hòa đầu ra Op-amp. Để khắc phục, có thể mắc thêm điện trở song song với tụ điện. Điện trở giới hạn độ lợi DC của mạch.

Cấu hình Op-Amp trong Tích hợp cung cấp đầu ra khác nhau trong một loại tín hiệu đầu vào thay đổi khác nhau. Hoạt động đầu ra của bộ khuếch đại Tích hợp là khác nhau trong từng trường hợp đầu vào sóng Sine, đầu vào sóng vuông hoặc đầu vào sóng tam giác.

Hành vi của Bộ tích hợp Op-amp trên đầu vào Square Wave

Nếu sóng vuông được cung cấp làm đầu vào cho Bộ khuếch đại tích hợp, đầu ra được tạo ra sẽ là sóng tam giác hoặc sóng răng cưa. Trong trường hợp như vậy, mạch được gọi là bộ tạo Ramp. Trong sóng vuông, các mức điện áp thay đổi từ Thấp sang Cao hoặc cao xuống thấp, làm cho tụ điện bị sạc hoặc phóng điện.

Trong cực đại dương của sóng vuông, dòng điện bắt đầu chạy qua điện trở và trong giai đoạn tiếp theo, dòng điện chạy qua tụ điện. Vì dòng điện chạy qua op-amp bằng 0 nên tụ điện sẽ được sạc. Điều ngược lại sẽ xảy ra trong đỉnh âm của đầu vào sóng vuông. Đối với tần số cao, tụ điện có thời gian rất nhỏ để sạc đầy.

Tốc độ sạc và xả phụ thuộc vào sự kết hợp điện trở-tụ điện. Để tích hợp hoàn hảo, tần số hoặc thời gian tuần hoàn của sóng vuông đầu vào cần phải nhỏ hơn hằng số thời gian của mạch, được gọi là: T phải nhỏ hơn hoặc bằng CR (T <= CR).

Mạch tạo sóng vuông có thể dùng để tạo ra sóng vuông.

Hành vi của Bộ tích hợp Op-amp trên đầu vào Sine Wave

Nếu đầu vào trên mạch Tích hợp dựa trên op-amp là sóng sin, thì cấu hình Op-amp trong tích hợp tạo ra sóng sin lệch pha 90 độ trên đầu ra. Đây được gọi là sóng cosine. Trong tình huống này, khi đầu vào là sóng sin, mạch tích hợp hoạt động như một bộ lọc thông thấp hoạt động.

Như đã thảo luận trước đó, ở tần số thấp hoặc ở DC, tụ điện tạo ra dòng điện chặn cuối cùng làm giảm phản hồi và bão hòa điện áp đầu ra. Trong trường hợp như vậy, một điện trở được kết nối song song với tụ điện. Điện trở được thêm vào này cung cấp một đường phản hồi.

Trong hình trên, một điện trở R2 mắc thêm song song với tụ C1. Sóng sin đầu ra lệch pha 90 độ.

Tần số góc của mạch sẽ là

Fc = 1 / 2πCR2

Và mức tăng DC tổng thể có thể được tính bằng cách sử dụng -

Tăng = -R2 / R1

Mạch tạo sóng sin có thể được sử dụng để tạo sóng sin cho đầu vào của bộ tích hợp.

Hành vi của Bộ tích hợp Op-amp trên đầu vào Sóng tam giác

Ở đầu vào sóng hình tam giác, op-amp lại tạo ra sóng hình sin. Khi bộ khuếch đại hoạt động như một bộ lọc thông thấp, các sóng hài tần số cao được giảm đáng kể. Sóng sin đầu ra chỉ bao gồm các sóng hài tần số thấp và đầu ra có biên độ thấp.

Các ứng dụng của Bộ tích hợp Op-amp

Tích hợp là một phần quan trọng của thiết bị đo đạc và được sử dụng trong thế hệ Ramp.
Trong bộ tạo hàm, mạch tích phân được sử dụng để tạo ra sóng tam giác.
Bộ tích hợp được sử dụng trong mạch định hình sóng như một loại bộ khuếch đại điện tích khác.
Nó được sử dụng trong các máy tính tương tự, nơi cần phải tích hợp bằng mạch tương tự.
Mạch tích hợp cũng được sử dụng rộng rãi trong bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số.
Các cảm biến khác nhau cũng sử dụng một bộ tích hợp để tái tạo các đầu ra hữu ích.