Mạch tích phân Op-Amp: Mạch thực hiện phép tính tích phân
Op-Amp Integrator là gì?
Mạch tích hợp op-amp (op-amp integrator) là mạch sử dụngamplifier hoạt động (op-amp) và tụ điện để thực hiện phép toán tích phân. Tích phân là quá trình tìm diện tích dưới đường cong hoặc hàm theo thời gian. Mạch tích hợp op-amp tạo ra điện áp đầu rađiện áp tỷ lệ nghịch với tích phân âm của điện áp đầu vào, có nghĩa là điện áp đầu ra thay đổi theo thời gian và biên độ của điện áp đầu vào.
Mạch tích hợp op-amp có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, như bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), máy tính tương tự, và mạch tạo dạng sóng. Ví dụ, mạch tích hợp op-amp có thể chuyển đổi tín hiệu hình vuông thành tín hiệu tam giác, hoặc tín hiệusinus thành tín hiệu cosine.
Mạch tích hợp op-amp hoạt động như thế nào?
Mạch tích hợp op-amp dựa trên cấu hìnhamplifier đảo ngược, trong đó điện trở hồi tiếpđiện trở được thay thế bằng tụ điện. Tụ điện là yếu tố phụ thuộc tần số cóđiện kháng (Xc) thay đổi nghịch với tần số (f) của tín hiệu đầu vào. Điện kháng của tụ điện được xác định bởi:
trong đó C làđiện dung của tụ điện.
Sơ đồ mạch tích hợp op-amp được hiển thị dưới đây:
Điện áp đầu vào (Vin) được đưa vào đầu vào nghịch của op-amp thông qua một điện trở (Rin). Đầu vào thuận được kết nối với đất, tạo ra một điểm giả tại đầu vào nghịch. Điện áp đầu ra (Vout) được lấy từ đầu ra của op-amp, được kết nối với tụ điện (C) trong vòng hồi tiếp.
Nguyên lý hoạt động của mạch tích hợp op-amp có thể được giải thích bằng cách áp dụng luậtdòng điện Kirchhoff (KCL) tại nút 1, là điểm giao giữa Rin, C, và đầu vào nghịch. Vì không có dòng điện chảy vào hoặc ra khỏi các đầu cuối của op-amp, ta có thể viết:
Giản lược và sắp xếp lại, ta có:
Phương trình này cho thấy điện áp đầu ra tỷ lệ nghịch với đạo hàm của điện áp đầu vào. Để tìm điện áp đầu ra theo thời gian, chúng ta cần tích phân cả hai vế của phương trình:
trong đó V0 là điện áp đầu ra ban đầu tại t = 0.
Phương trình này cho thấy điện áp đầu ra tỷ lệ nghịch với tích phân âm của điện áp đầu vào cộng với một hằng số. Hằng số V0 phụ thuộc vào điều kiện ban đầu của tụ điện và có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng nguồn điện áp offset hoặcpotentiometer trong chuỗi với tụ điện.
Những Đặc Điểm và Giới Hạn của Mạch Tích Hợp Op-Amp là gì?
Mạch tích hợp op-amp lý tưởng có lợi ích vô hạn và dải tần vô hạn, có nghĩa là nó có thể tích phân bất kỳ tín hiệu đầu vào nào với bất kỳ tần số và biên độ nào mà không bị biến dạng hoặc suy giảm. Tuy nhiên, thực tế có một số yếu tố hạn chế hiệu suất và độ chính xác của mạch tích hợp op-amp, chẳng hạn như:
Đặc điểm của op-amp: Op-amp có lợi ích hữu hạn, dải tần, điện trở đầu vàođiện trở, điện trở đầu ra, điện áp offset, dòng bias, nhiễu, v.v. Những tham số này ảnh hưởng đến điện áp đầu ra và gây ra lỗi và sai lệch so với hành vi lý tưởng.
Rò rỉ tụ điện: Tụ điện trong vòng hồi tiếp có một phần rò rỉđiện trở cho phép một dòng điện nhỏ chảy qua, khiến nó xả điện theo thời gian. Điều này làm giảm hiệu quả tích phân và gây ra sự trôi dạt trong điện áp đầu ra.
Dòng bias đầu vào: Op-amp có dòng bias đầu vào chảy vào hoặc ra khỏi các đầu cuối, tùy thuộc vào loại và thiết kế của nó. Dòng này tạo ra mộtrơi điện áp trên Rin và ảnh hưởng đến điện áp đầu vào nhìn thấy bởi op-amp. Điều này cũng gây ra lỗi trong điện áp đầu ra.
Đáp tuyến tần số: Đáp tuyến tần số của mạch tích hợp op-amp phụ thuộc vào điện kháng của tụ điện, thay đổi theo tần số. Khi tần số tăng, Xc giảm, khiến tụ điện hoạt động như mộtđường hở. Khi tần số giảm, Xc tăng, khiến tụ điện hoạt động như một mạch ngắn. Do đó, đáp tuyến tần số của mạch tích hợp op-amp tỷ lệ nghịch với tần số, hoặc:
Phương trình này cho thấy lợi ích của mạch tích hợp op-amp giảm 20 dB mỗi thập kỷ (hoặc 6 dB mỗi octav) khi tần số tăng. Điều này có nghĩa là mạch tích hợp op-amp hoạt động như một bộ lọc thông thấp, làm suy giảm tín hiệu tần số cao và cho qua tín hiệu tần số thấp.
Tuy nhiên, đáp tuyến tần số này không lý tưởng cho mạch tích hợp, vì nó gây ra sự dịch pha và biến dạng trong tín hiệu đầu ra. Hơn nữa, ở tần số rất thấp, lợi ích trở nên rất lớn và có thể vượt quá dải đầu ra của op-amp, gây bão hòa hoặc cắt đỉnh. Do đó, cần phải có một số cải tiến để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của mạch tích hợp op-amp.
