Amplificatoarele operaționale (A.O.) pot fi utilizate ca parte a unui amplificator cu feedback pozitiv sau negativ sau ca un circuit de tip adunare sau scădere utilizează doar rezistențe pure atât în ​​circuitul de intrare cât și în bucla de reacție.

Dar ce se întâmplă dacă schimbăm elementul de feedback pur rezistiv (R) al unui amplificator inversor cu un element complex (X) tip reactanță dependentă de frecvență, cum ar fi un condensator C. Care ar fi efectul asupra tensiunii de ieșire a A.O. pe domeniul său de frecvență.

Prin înlocuirea acestei rezistențe de feedback cu un condensator, avem acum o rețea RC conectată pe calea de feedback a A.O., producând un alt tip de circuit de A.O., numit în mod obișnuit circuit A.O. Integrator, după cum se arată mai jos.

Circuit A.O. integrator

După cum sugerează și numele, A.O. Integrator este un circuit care realizează operația matematică de integrare, adică putem provoca ieșirea să răspundă modificărilor tensiunii de intrare în timp, deoarece A.O. integrator produce o tensiune de ieșire care este proporțională cu integrala tensiunii de intrare.

Cu alte cuvinte, amplitudinea semnalului de ieșire este determinată de durata de timp în care tensiunea este prezentă la intrarea sa, deoarece curentul prin bucla de reacție încarcă sau descarcă condensatorul, reacția negativă necesară având loc prin condensator.

Atunci când o treaptă de tensiune Vin este aplicată prima dată la intrarea unui amplificator integrator, condensatorul neîncărcat C are o rezistență foarte mică și acționează puțin ca un scurtcircuit care permite fluxul maxim de curent prin intermediul rezistorului de intrare Rin, deoarece există diferență de potențial între două plăci. Nu intră curent în intrarea amplificatorului și punctul X este un pământ virtual, care are ca rezultat ieșirea zero. Deoarece impedanța condensatorului la acest punct este foarte scăzută, raportul de câștig XC/Rin este de asemenea foarte mic, dând un câștig general de tensiune mai mic decât unu (circuit de urmărire a tensiunii).

Deoarece condensatorul de feedback C începe să se încarce datorită influenței tensiunii de intrare, impedanța sa Xc crește lent, proporțional cu rata de încărcare. Condensatorul se încarcă la o rată determinată de constanta de timp RC (τ) a rețelei RC serie. Feedback-ul negativ forțează A.O. să producă o tensiune de ieșire care menține un pământ virtual la intrarea inversoare a A.O.

Deoarece condensatorul este conectat între intrarea inversoare a A.O. (care este la potențialul de împământare) și ieșirea A.O. (care este negativă), tensiunea potențială Vc dezvoltată pe condensator crește lent, determinând scăderea curentului de încărcare, deoarece impedanța condensatorului crește. Aceasta conduce la creșterea raportului Xc/Rin, producând o tensiune de ieșire rampă crescătoare liniară care continuă să crească până când condensatorul este complet încărcat.

În acest moment, condensatorul acționează ca un circuit deschis, blocând orice flux de curent DC. Raportul dintre condensatorul de reacție și rezistorul de intrare (Xc/Rin) este acum infinit, rezultând un câștig infinit. Rezultatul acestui câștig mare (similar cu câștigul în buclă deschisă al A.O.) este că ieșirea amplificatorului intră în saturație după cum se arată mai jos. (Saturația apare atunci când tensiunea de ieșire a amplificatorului oscilează foarte mult de o șină de alimentare cu tensiune la cealaltă, cu un control prea mic sau deloc).

Rata la care tensiunea de ieșire crește (rata de schimbare) este determinată de valoarea rezistorului și a condensatorului, "constantă de timp RC". Prin schimbarea acestei valori ale constantei de timp RC, fie prin schimbarea valorii condensatorului C, fie a rezistorului R, timpul în care tensiunea de ieșire va atinge saturația poate fi, de asemenea, schimbat de exemplu.

Dacă aplicăm un semnal de intrare în continuă schimbare, cum ar fi o undă pătrată la intrarea unui amplificator integrator, atunci condensatorul se va încărca și descărca ca răspuns la modificările semnalului de intrare. Acest lucru are ca rezultat semnalul de ieșire de formă de undă dinți de fierăstrău a cărei ieșire este afectată de constanta de timp RC a combinației rezistor /condensator deoarece, la frecvențe mai mari, condensatorul are mai puțin timp să se încarce complet. Acest tip de circuit este, de asemenea, cunoscut ca un generator de rampă și funcția de transfer este dată mai jos.

A.O. integrator generator de rampă

Știm de la primele principii că tensiunea pe plăcile unui condensator este egală cu sarcina pe condensator împărțită la capacitatea sa Q/C. Atunci, tensiunea pe condensator este Vout, prin urmare: -Vout = Q/C. Dacă condensatorul se încarcă și se descarcă, rata de încărcare a tensiunii pe condensator este dată de:

Dar dQ/dt este curent electric și deoarece tensiunea de nod a A.O. integrator la terminalul de intrare inversoare este zero, X = 0, curentul de intrare Iin care curge prin rezistorul de intrare Rin este dat de:

Curentul care trece prin condensatorul de feedback C este dat de:

Presupunând că impedanța de intrare a A.O. este infinită (A.O. ideal), nici un curent nu curge în terminalul A.O. Prin urmare, ecuația nodală de la terminalul de intrare inversoare este dată ca:

De la care deducem o ieșire de tensiune ideală pentru A.O. Integrator ca:

Pentru a simplifica puțin matematica, aceasta poate fi redată și ca:

unde: ω = 2πƒ și tensiunea de ieșire Vout este o constantă 1/RC ori integrala tensiunii de intrare Vin funcție de timp. Semnul minus (-) indică un defazaj de 180^o, deoarece semnalul de intrare este conectat direct la terminalul de intrare inversoare a A.O.

A.O. Integrator continuu sau AC

Dacă am schimba semnalul de intrare undă pătrată, de mai sus, cu un semnal sinusoidal de frecvență variabilă, A.O. Integrator se comportă mai puțin ca un integrator și începe să se comporte mai mult ca un filtru "Low Pass" activ, trecând semnale de frecvență joasă în timp ce atenuează frecvențele înalte.

La 0 Hz sau DC, condensatorul acționează ca un circuit deschis care blochează orice tensiune de reacție, rezultând foarte puțin feedback negativ de la ieșire înapoi la intrarea amplificatorului. Atunci, doar cu condensatorul de feedback C, amplificatorul este conectat efectiv ca un amplificator normal în buclă deschisă, care are un câștig foarte mare în buclă deschisă, rezultând o saturație a tensiunii de ieșire.

Acest circuit conectează o rezistență de valoare ridicată în paralel cu un condensator de încărcare și descărcare continuă. Adăugarea acestui rezistor de reacție R2 pe condensatorul C dă circuitului caracteristicile unui amplificator inversor cu câștig în buclă închisă finit de R2/R1. Rezultatul este că la frecvențe foarte joase, circuitul acționează ca un integrator standard, în timp ce la frecvențe mai mari condensatorul scurtcircuitează rezistorul de reacție R2 datorită efectelor reactanței capacitive, reducând câștigul amplificatorului.

A.O. Integrator AC cu control de câștig DC

Spre deosebire de amplificatorul integrator DC de deasupra a cărui tensiune de ieșire la orice moment va fi integrala unei forme de undă (atunci când intrarea este o undă pătrată, forma de undă de ieșire va fi triunghiulară), pentru un integrator AC, o formă de undă sinusoidală de intrare va produce o altă undă sinusoidală ca ieșire care va fi defazată la 90° cu intrarea, producând o undă cosinus.

În plus, atunci când intrarea este triunghiulară, forma de undă de ieșire este, de asemenea, sinusoidală. Atunci, aceasta formează baza unui filtru activ Low Pass, așa cum s-a văzut anterior, în tutorialele filtrelor, cu o frecvență de colț dată de:

În următorul tutorial despre A.O. vom analiza un alt tip de circuit, care este opusul sau complementul circuitului A.O. Integrator de mai sus, numit amplificator de diferențiere.

După cum sugerează și numele, amplificatorul diferențiator produce un semnal de ieșire, care este operația matematică de diferențiere, adică produce o tensiune de ieșire care este proporțională cu rata de schimbare a tensiunii de intrare și curentul care curge prin condensatorul de intrare.