دائرة تكامل مكبر التشغيلي: البناء والعمل والتطبيقات

Op-amp أو Operational Amplifier هو العمود الفقري للإلكترونيات التناظرية ومن بين العديد من التطبيقات ، مثل Summing Amplifier ، ومضخم الصوت التفاضلي ، ومضخم الأجهزة ، ومكبر الصوت Op-Amp يمكن استخدامه أيضًا كمتكامل وهو عبارة عن دائرة مفيدة جدًا في التطبيقات ذات الصلة التناظرية.

في تطبيقات Op-Amp البسيطة ، يكون الإخراج متناسبًا مع سعة الإدخال. ولكن عندما يتم تكوين op-amp كمتكامل ، يتم أيضًا مراعاة مدة إشارة الإدخال. لذلك ، يمكن للمتكامل القائم على المرجع أمبير إجراء تكامل رياضي فيما يتعلق بالوقت. و تكامل ينتج انتاج التيار الكهربائي عبر المرجع أمبير، وهو يتناسب طرديا مع جزءا لا يتجزأ من الجهد المدخلات؛ وبالتالي فإن الناتج يعتمد على جهد الدخل خلال فترة زمنية.

بناء وتشغيل حلبة تكامل Op-amp

يستخدم Op-amp على نطاق واسع في الإلكترونيات ويستخدم لبناء العديد من دوائر مكبر الصوت المفيدة.

يتطلب إنشاء دارة تكامل بسيطة باستخدام جهاز op-amp مكونين منفعلين ومكون نشط واحد. المكونان السلبيان هما المقاوم والمكثف. يشكل المقاوم والمكثف مرشح تمرير منخفض من الدرجة الأولى عبر المكون النشط Op-Amp. دارة التكامل هي بالضبط عكس دائرة التفاضل Op-amp.

يتكون تكوين Op-amp البسيط من مقاومين ، مما يؤدي إلى إنشاء مسار ردود الفعل. في حالة مضخم الصوت المدمج ، يتم تغيير المقاوم الارتجاعي باستخدام مكثف.

في الصورة أعلاه ، تظهر دائرة تكامل أساسية بثلاثة مكونات بسيطة. يتم توصيل المقاوم R1 والمكثف C1 عبر مكبر الصوت. مكبر الصوت في عكس التكوين.

كسب Op-amp هو لانهائي ، وبالتالي فإن الإدخال المقلوب لمكبر الصوت هو أرضية افتراضية. عندما يتم تطبيق جهد عبر R1 ، يبدأ التيار بالتدفق عبر المقاوم لأن المكثف لديه مقاومة منخفضة للغاية. يتم توصيل المكثف في وضع التغذية المرتدة وتكون مقاومة المكثف ضئيلة.

في هذه الحالة ، إذا تم حساب نسبة كسب مكبر الصوت ، فستكون النتيجة أقل من الوحدة. هذا لأن نسبة الكسب ، X _C / R ₁ صغيرة جدًا. عمليًا ، يكون للمكثف مقاومة منخفضة جدًا بين الألواح ومهما كانت القيمة R1 ، فإن نتيجة خرج X _C / R ₁ ستكون منخفضة جدًا.

يبدأ المكثف بالشحن بجهد الإدخال وبنفس النسبة ، تبدأ مقاومة المكثف أيضًا في الزيادة. يتم تحديد معدل الشحن بواسطة RC - ثابت الوقت لـ R1 و C1. يتم الآن إعاقة الأرض الافتراضية op-amp وستنتج ردود الفعل السلبية جهد إخراج عبر op-amp للحفاظ على حالة الأرض الافتراضية عبر الإدخال.

ينتج Op-amp خرج منحدر حتى يتم شحن المكثف بالكامل. ينخفض ​​تيار شحن المكثف بتأثير فرق الجهد بين الأرض الافتراضية والمخرج السالب.

حساب جهد الخرج لدائرة تكامل Op-amp

يمكن وصف الآلية الكاملة الموضحة أعلاه باستخدام التشكيل الرياضي.

دعونا نرى الصورة أعلاه. إن iR1 هو التيار المتدفق عبر المقاوم. G هي الأرض الافتراضية. Ic1 هو التيار المتدفق عبر المكثف.

إذا تم تطبيق قانون Kirchhoff الحالي عبر التقاطع G ، وهو أرض افتراضية ، فإن iR1 سيكون مجموع التيار الداخل في المحطة العكسية (Op-amp pin 2) والتيار الذي يمر عبر Capacitor C1.

iR ₁ = أنا _عكس الطرف + iC ₁

نظرًا لأن op-amp هو op-amp مثالي وأن العقدة G هي أرض افتراضية ، فلا يوجد تيار يتدفق عبر طرف op-amp العكسي. لذلك ، أنا _{معكوس المحطة} = 0

آي آر ₁ = آي سي ₁

المكثف C1 له علاقة جهد-تيار. الصيغة هي -

I _C = C (dV _C / dt)

الآن دعنا نطبق هذه الصيغة في سيناريو عملي. ال

دائرة التكامل الأساسية ، والتي تم عرضها سابقًا ، لها عيب. يقوم المكثف بحظر التيار المستمر ونتيجة لذلك ، يصبح كسب التيار المستمر لدائرة Op-Amp لانهائيًا. لذلك ، فإن أي جهد تيار مستمر عند مدخلات Op-amp ، يشبع خرج Op-amp. للتغلب على هذه المشكلة ، يمكن إضافة المقاومة بالتوازي مع المكثف. يحد المقاوم من كسب التيار المستمر للدائرة.

يوفر تكوين Op-Amp in Integrator مخرجات مختلفة في نوع مختلف من إشارات الإدخال المتغيرة. يختلف سلوك الإخراج لمكبر الصوت المتكامل في كل حالة من إدخال موجة جيبية أو إدخال موجة مربعة أو إدخال موجة مثلثة.

سلوك تكامل Op-amp على إدخال الموجة المربعة

إذا تم توفير الموجة المربعة كمدخل لمكبر الصوت المتكامل ، فسيكون الناتج الناتج موجة مثلثة أو موجة سن المنشار. في مثل هذه الحالة ، تسمى الدائرة بمولد منحدر. في الموجة المربعة ، تتغير مستويات الجهد من منخفض إلى مرتفع أو مرتفع إلى منخفض ، مما يجعل المكثف يتم شحنه أو تفريغه.

أثناء الذروة الموجبة للموجة المربعة ، يبدأ التيار بالتدفق عبر المقاوم وفي المرحلة التالية ، يتدفق التيار عبر المكثف. نظرًا لأن التدفق الحالي عبر op-amp يساوي صفرًا ، يتم شحن المكثف. سيحدث الشيء العكسي أثناء الذروة السلبية لمدخل الموجة المربعة. بالنسبة للتردد العالي ، يحصل المكثف على أقل وقت ممكن لشحنه بالكامل.

و معدل الشحن والتفريغ تعتمد على مزيج المقاوم مكثف. من أجل التكامل التام ، يجب أن يكون التردد أو الوقت الدوري لموجة الإدخال المربعة أقل من ثابت وقت الدائرة ، والذي يشار إليه على النحو التالي: يجب أن يكون T أقل من أو يساوي CR (T <= CR).

يمكن استخدام دائرة مولد الموجة المربعة لإنتاج موجات مربعة.

سلوك تكامل Op-amp على إدخال موجة جيبية

إذا كان الإدخال عبر دارة تكامل تعتمد على op-amp عبارة عن موجة جيبية ، فإن Op-amp في تكوين التكامل ينتج 90 درجة من موجة جيبية خارج الطور عبر الإخراج. وهذا ما يسمى موجة جيب التمام. خلال هذه الحالة ، عندما يكون الإدخال عبارة عن موجة جيبية ، تعمل دائرة التكامل كمرشح تمرير منخفض نشط.

كما نوقش سابقًا ، في التردد المنخفض أو في التيار المستمر ، ينتج المكثف تيارًا مانعًا مما يقلل في النهاية من ردود الفعل ويشبع جهد الخرج. في مثل هذه الحالة ، يتم توصيل المقاوم بالتوازي مع المكثف. يوفر هذا المقاوم المضاف مسار ردود الفعل.

في الصورة أعلاه ، يتم توصيل المقاوم الإضافي R2 بالتوازي مع المكثف C1. تكون الموجة الجيبية الناتجة 90 درجة خارج الطور.

سيكون تردد الزاوية للدائرة

Fc = 1/2 CR2

ويمكن حساب كسب DC الإجمالي باستخدام -

الكسب = -R2 / R1

يمكن استخدام دائرة مولد الموجة الجيبية لتوليد موجات جيبية لمدخلات التكامل.

سلوك تكامل Op-amp على إدخال الموجة المثلثية

في مدخل الموجة المثلثية ، ينتج المرجع أمبير مرة أخرى موجة جيبية. نظرًا لأن مكبر الصوت يعمل كمرشح تمرير منخفض ، يتم تقليل التوافقيات عالية التردد بشكل كبير. تتكون الموجة الجيبية الناتجة فقط من التوافقيات منخفضة التردد وإرادة الخرج ذات سعة منخفضة.

تطبيقات تكامل Op-amp

1. يعتبر المُدمج جزءًا مهمًا من الأجهزة ويستخدم في إنشاء المنحدرات.
2. في مولد الوظيفة ، يتم استخدام دائرة التكامل لإنتاج موجة مثلثة.
3. يستخدم التكامل في دائرة تشكيل الموجة مثل نوع مختلف من مضخم الشحن.
4. يتم استخدامه في أجهزة الكمبيوتر التناظرية ، حيث يلزم التكامل باستخدام الدائرة التناظرية.
5. دارة التكامل تستخدم على نطاق واسع في التناظرية إلى المحول الرقمي.
6. تستخدم المستشعرات المختلفة أيضًا أداة تكامل لإنتاج مخرجات مفيدة.