Penguat Pengamplifier: Litar yang Melakukan Penaakulan Matematik Integrasi

Electrical4u

Medan: Elektrik Asas

China

Apakah Integrator Op-Amp?

Integrator op-amp adalah litar yang menggunakan penambah operasi (op-amp) dan kapasitor untuk melakukan operasi matematik integrasi. Integrasi adalah proses mencari luas di bawah lengkung atau fungsi sepanjang masa. Integrator op-amp menghasilkan voltan output yang berkadar dengan integral negatif voltan input, bermaksud voltan output berubah mengikut tempoh dan amplitud voltan input.

Integrator op-amp boleh digunakan untuk pelbagai aplikasi, seperti penukar analog ke digital (ADC), komputer analog, dan litar pembentuk gelombang. Sebagai contoh, integrator op-amp boleh menukar input gelombang segi empat kepada output gelombang segitiga, atau input gelombang sinus kepada output gelombang kosinus.

Bagaimana Integrator Op-Amp Berfungsi?

Integrator op-amp berdasarkan pada konfigurasi penambah inverter, di mana pengimbangan balik resistor digantikan oleh kapasitor. Kapasitor adalah elemen yang bergantung pada frekuensi yang mempunyai reaktans (Xc) yang berubah secara songsang dengan frekuensi (f) sinyal input. Reaktans kapasitor diberikan oleh:

di mana C adalah kapasitansi kapasitor.

Rajah skematik integrator op-amp ditunjukkan di bawah:

Voltan input (Vin) diterapkan ke terminal input inverter op-amp melalui resistor (Rin). Terminal input non-inverter disambungkan ke tanah, mewujudkan tanah maya di terminal input inverter juga. Voltan output (Vout) diambil dari terminal output op-amp, yang disambungkan ke kapasitor © dalam litar umpan balik.

Prinsip kerja integrator op-amp dapat dijelaskan dengan menerapkan hukum arus Kirchhoff (KCL) pada node 1, yang merupakan pertemuan Rin, C, dan terminal input inverter. Karena tidak ada arus yang mengalir masuk atau keluar dari terminal op-amp, kita dapat menulis:

Dengan menyederhanakan dan merestruktur, kita mendapatkan:

Persamaan ini menunjukkan bahwa voltan output berkadar dengan turunan negatif voltan input. Untuk menemukan voltan output sebagai fungsi waktu, kita perlu mengintegrasikan kedua sisi persamaan:

di mana V0 adalah voltan output awal pada t = 0.

Persamaan ini menunjukkan bahwa voltan output berkadar dengan integral negatif voltan input ditambah suatu konstan. Konstan V0 bergantung pada kondisi awal kapasitor dan dapat disesuaikan dengan menggunakan sumber voltan offset atau potensio meter dalam seri dengan kapasitor.

Apa Saja Karakteristik dan Keterbatasan Integrator Op-Amp?

Integrator op-amp ideal memiliki gain dan lebar pita tak terhingga, artinya ia dapat mengintegrasikan sinyal input dengan frekuensi dan amplitudo apa pun tanpa distorsi atau penurunan. Namun, dalam kenyataannya, ada beberapa faktor yang membatasi kinerja dan akurasi integrator op-amp, seperti:

Karakteristik op-amp: Op-amp itu sendiri memiliki gain, lebar pita, impedansi input, impedansi output, voltan offset, arus bias, noise, dll. Parameter ini mempengaruhi voltan output dan memperkenalkan kesalahan dan penyimpangan dari perilaku ideal.
Kebocoran kapasitor: Kapasitor dalam litar umpan balik memiliki beberapa resistansi kebocoran yang memungkinkan arus kecil mengalir melaluinya, menyebabkan kapasitor tersebut melepaskan muatan seiring waktu. Hal ini mengurangi efek integrasi dan menyebabkan drift pada voltan output.
Arus bias input: Op-amp memiliki arus bias input yang mengalir masuk atau keluar dari terminalnya, tergantung pada jenis dan desainnya. Arus ini menciptakan penurunan voltan di seberang Rin dan mempengaruhi voltan input yang dilihat oleh op-amp. Ini juga memperkenalkan kesalahan pada voltan output.
Respons frekuensi: Respons frekuensi integrator op-amp bergantung pada reaktans kapasitor, yang bervariasi dengan frekuensi. Seiring frekuensi meningkat, Xc menurun, membuat kapasitor bertindak seperti sirkuit terbuka. Seiring frekuensi menurun, Xc meningkat, membuat kapasitor bertindak seperti sirkuit pendek. Oleh karena itu, respons frekuensi integrator op-amp berbanding terbalik dengan frekuensi, atau:

Persamaan ini menunjukkan bahwa gain voltan integrator op-amp menurun sebesar 20 dB per dekade (atau 6 dB per oktaf) seiring frekuensi meningkat. Ini berarti bahwa integrator op-amp bertindak seperti filter low-pass yang meredam sinyal frekuensi tinggi dan melewatkan sinyal frekuensi rendah.

Namun, respons frekuensi ini tidak ideal untuk integrator, karena memperkenalkan pergeseran fase dan distorsi pada sinyal output. Selain itu, pada frekuensi sangat rendah, gain voltan menjadi sangat besar dan mungkin melebihi rentang output op-amp, menyebabkan saturasi atau kliping. Oleh karena itu, beberapa modifikasi diperlukan untuk meningkatkan kinerja dan akurasi integrator op-amp.