Lehrbuch

Integrator

Op-Amp Integrator (with Derivation and Solved Examples) (Oktober 2018).

Anonim

Integrator

Kapitel 6 - Analoge integrierte Schaltungen


TEILE UND MATERIALIEN

  • Vier 6-Volt-Batterien
  • Operationsverstärker, Modell 1458 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-038)
  • Ein 10 kΩ Potentiometer, linearer Kegel (Radio Shack Katalog # 271-1715)
  • Zwei Kondensatoren, jeweils 0, 1 μF, nicht polarisiert (Radio Shack catalog # 272-135)
  • Zwei 100 kΩ Widerstände
  • Drei 1 MΩ Widerstände

So gut wie jedes Operationsverstärker-Modell wird für dieses Integrator-Experiment gut funktionieren, aber ich spezifiziere das Modell 1458 gegenüber dem 353, weil das 1458 viel höhere Eingangs-Bias-Ströme aufweist. Normalerweise ist ein hoher Eingangsruhestrom eine schlechte Eigenschaft, die ein Operationsverstärker in einer Präzisions-DC-Verstärkerschaltung (und insbesondere einer Integratorschaltung!) Haben muss. Ich möchte jedoch, dass der Bias-Strom hoch ist, damit seine schlechten Effekte übertrieben werden, und damit Sie eine Methode lernen, seinen Auswirkungen entgegenzuwirken.

QUERVERWEISE

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 8: "Operationsverstärker"

LERNZIELE

  • Verfahren zum Begrenzen der Spannweite eines Potentiometers
  • Zweck einer Integratorschaltung
  • Wie wird der Operationsvorspannungsstrom kompensiert?

SCHEMATISCHE DARSTELLUNG

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Wie Sie aus der schematischen Darstellung sehen können, ist das Potentiometer an den "Schienen" der Stromquelle über jeweils 100 kΩ Widerstände angeschlossen. Dies dient dazu, die Spannweite des Potentiometers zu begrenzen, so dass die volle Bewegung einen relativ kleinen Bereich von Eingangsspannungen erzeugt, auf die der Operationsverstärker einwirken kann. Bei einem Extremwert der Bewegung des Potentiometers wird eine Spannung von ungefähr 0, 5 Volt (in Bezug auf den Massepunkt in der Mitte der Reihenbatteriekette) an dem Potentiometerwischer erzeugt. Am anderen Ende der Bewegung wird eine Spannung von etwa -0, 5 Volt erzeugt. Wenn das Potentiometer in der Totpunktlage positioniert ist, sollte die Wischerspannung Null Volt messen.

Schließen Sie ein Voltmeter zwischen dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers und dem Massepunkt des Schaltkreises an. Bewegen Sie den Potentiometer-Regler langsam, während Sie die Ausgangsspannung überwachen. Die Ausgangsspannung sollte sich mit einer Geschwindigkeit ändern, die durch die Abweichung des Potentiometers von Null (Mitte) bestimmt wird. Um Kalkülterme zu verwenden, würden wir sagen, dass die Ausgangsspannung das Integral (in Bezug auf die Zeit) der Eingangsspannungsfunktion darstellt. Das heißt, der Eingangsspannungspegel legt die Ausgangsspannungsänderungsrate über die Zeit fest . Dies ist genau das Gegenteil von Differenzierung, wo die Ableitung eines Signals oder einer Funktion seine momentane Änderungsrate ist.

Wenn Sie zwei Voltmeter haben, können Sie diese Beziehung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannungsänderungsrate leicht erkennen , indem Sie die Schleiferspannung (zwischen Potentiometer und Masse) mit einem Meter und die Ausgangsspannung (zwischen dem Operationsverstärker-Ausgangsanschluss und Boden) mit dem anderen. Das Einstellen des Potentiometers auf Null Volt sollte zu der niedrigsten Änderungsrate der Ausgangsspannung führen. Umgekehrt gilt, je mehr Spannung in diese Schaltung eingegeben wird, desto schneller ändert sich ihre Ausgangsspannung oder "Rampe".

Versuchen Sie, den zweiten 0, 1 μF-Kondensator parallel zum ersten anzuschließen. Dies verdoppelt die Kapazität in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers. Welchen Einfluss hat dies auf die Integrationsrate des Schaltkreises für eine gegebene Potentiometerposition? // www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/05214.png ">

Das Anlegen einer Spannung von genau Null an den Eingang einer Integratorschaltung sollte im Idealfall bewirken, dass die Änderungsrate der Ausgangsspannung gleich Null ist. Wenn Sie diese Änderung an der Schaltung vornehmen, sollten Sie feststellen, dass die Ausgangsspannung konstant bleibt oder sich sehr langsam ändert.

Der Eingang des Integrators ist noch kurzgeschlossen, kurz nach dem 1 MΩ-Widerstand, der den nicht invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers mit Masse verbindet. Dieser Widerstand sollte in einer idealen Operationsverstärkerschaltung nicht benötigt werden. Wenn wir also kurzschließen, werden wir sehen, welche Funktion er in dieser sehr realen Operationsverstärkerschaltung bietet:

Sobald der "Erdungs" -Widerstand mit einem Überbrückungskabel kurzgeschlossen wird, beginnt sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zu ändern oder zu driften. Idealerweise sollte dies nicht passieren, da die Integratorschaltung immer noch ein Eingangssignal von null Volt hat. Reale Operationsverstärker haben jedoch eine sehr kleine Strommenge, die in jeden Eingangsanschluß eintritt, der Vorspannungsstrom genannt wird . Diese Bias-Ströme werden die Spannung über jeden Widerstand in ihrem Pfad abfallen lassen. Da der 1 MΩ-Eingangswiderstand unabhängig von der Größe des Eingangssignals eine gewisse Menge an Vorspannungsstrom leitet, fällt er aufgrund seines Vorspannungsstroms über seine Anschlüsse ab, wodurch der Betrag der am invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers auftretenden Signalspannung "ausgeglichen" wird. Wenn der andere (nichtinvertierende) Eingang direkt mit Masse verbunden ist, wie dies hier geschehen ist, wird diese durch den Spannungsabfall durch den Ruhestrom verursachte "Offset" -Spannung dazu führen, dass sich die Integratorschaltung langsam "integriert", als würde sie eine sehr kleine Eingabe empfangen Signal.

Der "Erdungs" -Widerstand ist besser als ein Kompensationswiderstand bekannt, da er dazu dient, Spannungsfehler zu kompensieren, die durch den Vorspannungsstrom erzeugt werden. Da die Vorspannungsströme durch jeden Operationsverstärker-Eingangsanschluss ungefähr gleich sind, erzeugt ein gleicher Widerstandswert, der in dem Pfad jedes Vorspannungsstroms angeordnet ist, ungefähr den gleichen Spannungsabfall. Gleiche Spannungsabfälle, wie sie an den komplementären Eingängen eines Operationsverstärkers auftreten, löschen sich gegenseitig aus, wodurch der ansonsten durch den Vorspannungsstrom induzierte Fehler aufgehoben wird.

Entfernen Sie die Überbrückungskabel, die kurz vor dem Kompensationswiderstand liegen, und beachten Sie, wie der Ausgang des Operationsverstärkers in einen relativ stabilen Zustand zurückkehrt. Es kann immer noch etwas driften, höchstwahrscheinlich aufgrund von Vorspannungsfehlern in dem Operationsverstärker selbst, aber das ist insgesamt ein anderes Thema!

COMPUTERSIMULATION

 DC-Integrator-Wert 1 0 dc 0, 05 r1 1 2 1meg c1 2 3 0, 1 u ic = 0 e1 3 0 0 2 999 k .tran 1 30 uic .plot tran v (1, 0) v (3, 0) .end