Circuito integrador amplificador operacional: construção, funcionamento e aplicações

Op-amp ou amplificador operacional é a espinha dorsal da eletrônica analógica e de muitas aplicações, como amplificador somador, amplificador diferencial, amplificador de instrumentação, op-amp também pode ser usado como integrador, que é um circuito muito útil em aplicações analógicas.

Em aplicações simples de Op-Amp, a saída é proporcional à amplitude de entrada. Mas quando o amplificador operacional é configurado como um integrador, a duração do sinal de entrada também é considerada. Portanto, um integrador baseado em amp op pode realizar integração matemática com relação ao tempo. O integrador produz uma tensão de saída através do amplificador operacional, que é diretamente proporcional à integral da tensão de entrada; portanto, a saída depende da tensão de entrada por um período de tempo.

Construção e funcionamento do circuito integrador de amp op

Op-amp é um componente amplamente usado em eletrônica e é usado para construir muitos circuitos amplificadores úteis.

A construção de um circuito integrador simples usando amplificador operacional requer dois componentes passivos e um componente ativo. Os dois componentes passivos são resistor e capacitor. O resistor e o capacitor formam um filtro passa-baixa de primeira ordem no Op-Amp do componente ativo. O circuito integrador é exatamente o oposto do circuito diferenciador do amplificador operacional.

Uma configuração simples de amp op consiste em dois resistores, o que cria um caminho de feedback. No caso do amplificador Integrador, o resistor de feedback é trocado por um capacitor.

Na imagem acima, um circuito integrador básico é mostrado com três componentes simples. O resistor R1 e o capacitor C1 são conectados ao amplificador. O amplificador está na configuração de inversão.

O ganho do amp op é infinito, portanto, a entrada de inversão do amplificador é um aterramento virtual. Quando uma tensão é aplicada em R1, a corrente começa a fluir pelo resistor, pois o capacitor tem resistência muito baixa. O capacitor é conectado na posição de feedback e a resistência do capacitor é insignificante.

Nesta situação, se a relação de ganho do amplificador for calculada, o resultado será menor que a unidade. Isso ocorre porque a relação de ganho X _C / R ₁ é muito pequena. Praticamente, o capacitor tem resistência muito baixa entre as placas e qualquer que seja o valor R1 manter, o resultado de saída de X _C / R ₁ será muito baixo.

O capacitor começa a carregar pela tensão de entrada e na mesma proporção, a impedância do capacitor também começa a aumentar. A taxa de carregamento é determinada pela constante de tempo RC de R1 e C1. O terra virtual do amplificador operacional agora está prejudicado e o feedback negativo produzirá uma tensão de saída no amplificador operacional para manter a condição de aterramento virtual na entrada.

O Op-amp produz uma saída de rampa até que o capacitor fique totalmente carregado. O capacitor carrega a corrente diminui pela influência da diferença de potencial entre o terra virtual e a saída negativa.

Calculando a tensão de saída do circuito integrador de amp op

O mecanismo completo explicado acima pode ser descrito usando a formação matemática.

Vamos ver a imagem acima. O iR1 é a corrente que flui através do resistor. OG é o terreno virtual. O Ic1 é a corrente que flui através do capacitor.

Se a lei da corrente de Kirchhoff for aplicada na junção G, que é um aterramento virtual, o iR1 será a soma da corrente que entra no terminal de inversão (op-amp pino 2) e a corrente que passa pelo Capacitor C1.

iR ₁ = i _{terminal inversor} + iC ₁

Uma vez que o op-amp é um op-amp ideal e o nó G é um terra virtual, nenhuma corrente está fluindo através do terminal inversor do op-amp. Portanto, _{terminal inversor} i = 0

iR ₁ = iC ₁

O capacitor C1 tem uma relação tensão-corrente. A fórmula é -

I _C = C (dV _C / dt)

Agora, vamos aplicar essa fórmula em um cenário prático. o

O circuito integrador básico, mostrado anteriormente, tem uma desvantagem. O capacitor bloqueia a CC e, devido a isso, o ganho CC do circuito Op-Amp torna-se Infinito. Portanto, qualquer tensão DC na entrada do amp op, satura a saída do amp op. Para superar esse problema, a resistência pode ser adicionada em paralelo com o capacitor. O resistor limita o ganho DC do circuito.

O Op-Amp na configuração do Integrador fornece saída diferente em um tipo diferente de sinal de entrada variável. O comportamento de saída de um amplificador Integrador é diferente em cada caso de entrada de onda senoidal, entrada de onda quadrada ou entrada de onda triangular.

Comportamento do integrador Op-amp na entrada Square Wave

Se a onda quadrada for fornecida como uma entrada para o amplificador integrador, a saída produzida será uma onda triangular ou onda dente de serra. Nesse caso, o circuito é chamado de gerador de rampa. Na onda quadrada, os níveis de tensão mudam de Baixo para Alto ou de alto para baixo, o que faz com que o capacitor seja carregado ou descarregado.

Durante o pico positivo da onda quadrada, a corrente passa a fluir pelo resistor e, no estágio seguinte, a corrente passa pelo capacitor. Como o fluxo de corrente através do amplificador operacional é zero, o capacitor é carregado. O inverso acontecerá durante o pico negativo da entrada de onda quadrada. Para uma alta frequência, o capacitor tem um tempo mínimo para carregar totalmente.

A taxa de carga e descarga depende da combinação resistor-capacitor. Para uma integração perfeita, a frequência ou o tempo periódico da onda quadrada de entrada precisa ser menor que a constante de tempo do circuito, que é referida como: T deve ser menor ou igual ao CR (T <= CR).

O circuito gerador de onda quadrada pode ser usado para produzir ondas quadradas.

Comportamento do integrador Op-amp na entrada de onda senoidal

Se a entrada em um circuito integrador baseado em amp op for uma onda senoidal, o amp op na configuração do integrador produz uma onda senoidal de 90 graus fora de fase na saída. Isso é chamado de onda cosseno. Durante esta situação, quando a entrada é uma onda senoidal, o circuito integrador atua como um filtro passa-baixo ativo.

Conforme discutido anteriormente, em baixa frequência ou em CC, o capacitor produz uma corrente de bloqueio que eventualmente reduz a realimentação e a tensão de saída satura. Nesse caso, um resistor é conectado em paralelo com o capacitor. Este resistor adicionado fornece um caminho de feedback.

Na imagem acima, um resistor adicional R2 é conectado em paralelo com o capacitor C1. A onda senoidal de saída está 90 graus fora de fase.

A frequência de canto do circuito será

Fc = 1 / 2πCR2

E o ganho DC geral pode ser calculado usando -

Ganho = -R2 / R1

O circuito gerador de onda senoidal pode ser usado para gerar ondas senoidais para entrada do integrador.

Comportamento do integrador Op-amp na entrada de onda triangular

Na entrada de onda triangular, o op-amp novamente produz uma onda sinusoidal. Como o amplificador atua como um filtro passa-baixo, os harmônicos de alta frequência são bastante reduzidos. A onda senoidal de saída consiste apenas em harmônicos de baixa frequência e a saída será de baixa amplitude.

Aplicações do Integrador Op-amp

1. O integrador é uma parte importante da instrumentação e é usado na geração de rampas.
2. No gerador de função, o circuito integrador é usado para produzir a onda triangular.
3. O integrador é usado no circuito de modelagem de onda, como um tipo diferente de amplificador de carga.
4. É usado em computadores analógicos, onde a integração deve ser feita usando o circuito analógico.
5. O circuito integrador também é amplamente usado no conversor de analógico para digital.
6. Sensores diferentes também usam um integrador para reproduzir resultados úteis.