Інтегруючий підсилювач (інтегратор)

Інтегратори – пристрої електроніки, що реалізують функцію інтегрування й виконуються на базі іынвертувального операційного підсилювача шляхом введенням в ланку від'ємного зворотного зв'язку конденсатора С (рис.3.12).

Рисунок 3.12 – Схема інтегратора на ОП

 

Враховуючи, що R_{вх оп} = ∞, то і_вх = - і_C. Записавши рівняння за другим законом Кірхгофа для вхідного і вихідного контурів

u_вх - u_вх.оп = R і _вх ,

u_вх.оп + u_С - u_вих = 0 і враховуючи, що для ОП u_вх.оп = 0, отримаємо

і _вх = u_вх / R, u_вих = u_С = 1/С∫і dt.

Отже, із врахуванням рівняння для ємності отримаємо, що вихідна напруга такої схеми є пропорційною до інтеграла від вхідної напруги

u_вих = -1/RС∫u_вх dt.

Якщо вхідна напруга – незмінна за величиною u_вх =U, то вихідна напруга буде пропорційна до тривалості часу інтегрування t(рис.3.13,а).

u_вих = (-1/RС)∙ U∙t.

Рисунок 3.13 – Часові діаграми інтегратора

Тривалість інтегрування визначається часом перехідного процесу, що виникає в ланці R-C при поданні u_вх, а швидкість інтегрування (нахил прямої) визначається сталою часу τ = RС.

Якщо u_вх є знакозмінною, то напруга на виході інтегратора буде трикутноподібною, що використовується лінійно-змінної напруги (рис.3.13,б).

 

Компаратори – це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг, які використовуються в системах контролю та автоматичного керування й відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП (рис. 3.14,а, порівнює вимірювану напругу u_вх, яка подається на один із входів (переважно на інвертувальний), із опорною напругою (наперед заданою) U_ОП , яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незміною в часі, додатної чи від′ємної полярності. Коли u_вх = U_ОП вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний ( U+ _вих.max на U^- _вих.max чи навпаки).Тому компаратор має ще назву «нуль-орган», оскільки зміна полярності вихідної напргуи (перемикання) відбувається за умови, що u_вх - U_ОП = 0, де U_ОП – задана напруга.

Рисунок 3.14 – Схема компаратора (а) та його часові діаграми (б)

 

Якщо на інвертувальний вхід подається синусоїдний сигнал (u_вх), а на неінвертувальний – постійна напруга (U_ОП) додатної полярності (рис.3.14, б), то вхідна напруга ОП u_{вх оп} = u_вх - U_ОП. До моменту часу від 0 до t₁, u_{вх оп} < 0, тому u_вих = U⁺ _вих.max. В проміжку часу від t₁ до t₂ u_{вх оп} > 0, тому u_вих = U^- _вих.max.

Компаратори для порівняння напруг однієї полярності випускають у вигляді мікросхеми, схемне зображення та передатну характеристику якого показано на рис.3.15.

Рисунок 3.15 – Схемне зображення (а) та вихідна характеристика (б)

 

Мультивібратор на ОП

Схема мультивібратора на ОП наведена на рис. 5.12,а, часові діа­грами роботи - на рис. 5.13

 

 

 

Автоколивальний режим (збудження генератора) забезпечується додатнім зворотним зв'язком, що охоплює ОП з виходу на неінвертуючий вхід дільником R_1, R₂ . Часові характеристики вихідного сигна­лу визначаються інтегруючим RС-ланцюжком, увімкненим у коло від'ємного зворотнього зв'язку: з виходу ОП на його інвертуючий вхід.

ОП тут фактично працює як компаратор, порівнюючи величини на­пруг, що подаються на його інвертуючий та неінвертуючий входи.

Величина напруги на неінвертуючому вході є частиною вихідної на­пруги ОП. Для абсолютних величин це

ﺍ U₀ ﺍ = ﺍ U_вих ﺍ R₂ / (R₁ + R₂)

Тому маємо два пороги спрацьовування U⁺₀ і U^-₀. При цьому, якщо напруга на інвертуючому вході буде змінюватися від найбільш можли­вої від'ємної U^-_вих до найбільш додатної U⁺_вих. , спрацьовування відбу­деться при її значенні U⁺₀, а якщо вона почне змінюватись у зворотно­му напрямку - при U^-₀. Такий пристрій (з гістерезисом по вхідному сигналу) називають тригером Шмітта.

Таким чином, при роботі мультивібратора порівнюються фіксована величина напруги, що знімається з дільника, зі змінною напругою на конденсаторі, який намагається зарядитися до вихідної напруги ОП U_вих. Як тільки величини напруг зрівнюються, U_вих змінює знак, а відпо­відно, і U₀ також, а конденсатор починає заряджуватися до нового зна­чення U_вих і так далі. На виході ОП формується прямокутна напруга типу «меандр»-коли тривалості її від'ємного t ^- _i і додатнього t ⁺ _i зна­чень однакові. Період генерованих імпульсів становить

T = 2RC ∙ln(1+2R₂ /R₁).

Змінити співвідношення t ^- _i і t ⁺ _i можна, якщо замість резистора R ввести два паралельних ланцюжки з двох різних за величиною резис­торів R^′ і R^′′ з послідовно в різному напрямку ввімкненими діодами VDІ, VD2, як це показано на рис. 5.12,6.