Circuit intégrateur amplificateur opérationnel: construction, fonctionnement et applications

L'amplificateur opérationnel ou amplificateur opérationnel est l'épine dorsale de l'électronique analogique et de nombreuses applications, telles que l'amplificateur de sommation, l'amplificateur différentiel, l'amplificateur d'instrumentation, l' amplificateur opérationnel peut également être utilisé comme intégrateur, ce qui est un circuit très utile dans les applications analogiques.

Dans les applications Op-Amp simples, la sortie est proportionnelle à l'amplitude d'entrée. Mais lorsque l' ampli-op est configuré en tant qu'intégrateur, la durée du signal d'entrée est également prise en compte. Par conséquent, un intégrateur basé sur un ampli opérationnel peut effectuer une intégration mathématique par rapport au temps. L' intégrateur produit une tension de sortie aux bornes de l'ampli-op, qui est directement proportionnelle à l'intégrale de la tension d'entrée; par conséquent, la sortie dépend de la tension d'entrée sur une période de temps.

Construction et fonctionnement du circuit intégrateur ampli-op

L'ampli-op est un composant très largement utilisé en électronique et est utilisé pour construire de nombreux circuits d'amplification utiles.

La construction d' un circuit intégrateur simple utilisant un amplificateur opérationnel nécessite deux composants passifs et un composant actif. Les deux composants passifs sont la résistance et le condensateur. La résistance et le condensateur forment un filtre passe-bas de premier ordre à travers le composant actif Op-Amp. Le circuit intégrateur est exactement opposé au circuit différentiateur ampli-op.

Une configuration simple ampli-op se compose de deux résistances, ce qui crée un chemin de rétroaction. Dans le cas de l'amplificateur intégrateur, la résistance de rétroaction est remplacée par un condensateur.

Dans l'image ci-dessus, un circuit intégrateur de base est représenté avec trois composants simples. La résistance R1 et le condensateur C1 sont connectés aux bornes de l'amplificateur. L'amplificateur est en configuration inversée.

Le gain de l'amplificateur opérationnel est infini, par conséquent, l'entrée inverseuse de l'amplificateur est une masse virtuelle. Lorsqu'une tension est appliquée à travers le R1, le courant commence à circuler à travers la résistance car le condensateur a une résistance très faible. Le condensateur est connecté en position de rétroaction et la résistance du condensateur est insignifiante.

Dans cette situation, si le rapport de gain de l'amplificateur est calculé, le résultat sera inférieur à l'unité. C'est parce que le rapport de gain, X _C / R ₁ est trop petit. En pratique, le condensateur a une résistance très faible entre les plaques et quelle que soit la valeur R1, le résultat de sortie de X _C / R ₁ sera très faible.

Le condensateur commence à se charger par la tension d'entrée et dans le même rapport, l'impédance du condensateur commence également à augmenter. Le taux de charge est déterminé par la constante de temps RC de R1 et C1. La terre virtuelle de l'amplificateur opérationnel est maintenant entravée et la rétroaction négative produira une tension de sortie à travers l'amplificateur opérationnel pour maintenir la condition de terre virtuelle à l'entrée.

L'ampli-op produit une sortie de rampe jusqu'à ce que le condensateur soit complètement chargé. Le courant de charge du condensateur diminue sous l'influence de la différence de potentiel entre la terre virtuelle et la sortie négative.

Calcul de la tension de sortie du circuit intégrateur ampli-op

Le mécanisme complet expliqué ci-dessus peut être décrit en utilisant la formation mathématique.

Voyons l'image ci-dessus. L'iR1 est le courant traversant la résistance. Le G est le sol virtuel. Le Ic1 est le courant circulant à travers le condensateur.

Si la loi actuelle de Kirchhoff est appliquée à travers la jonction G, qui est une masse virtuelle, l' iR1 sera la somme du courant entrant dans la borne d'inversion (broche 2 de l'amplificateur opérationnel) et du courant traversant le condensateur C1.

iR ₁ = i _{borne inverseuse} + iC ₁

Étant donné que l'ampli-op est un ampli-op idéal et que le nœud G est une terre virtuelle, aucun courant ne circule à travers le terminal inverseur de l'ampli-op. Par conséquent, i _{terminal inverseur} = 0

iR ₁ = iC ₁

Le condensateur C1 a une relation tension-courant. La formule est -

Je _C = C (dV _C / dt)

Appliquons maintenant cette formule dans un scénario pratique. le

Le circuit intégrateur de base, qui est montré précédemment, présente un inconvénient. Le condensateur bloque le CC et, de ce fait, le gain CC du circuit Op-Amp devient Infini. Par conséquent, toute tension CC à l'entrée de l'amplificateur opérationnel sature la sortie de l'amplificateur opérationnel. Pour surmonter ce problème, une résistance peut être ajoutée en parallèle avec le condensateur. La résistance limite le gain CC du circuit.

L'amplificateur opérationnel dans la configuration de l'intégrateur fournit une sortie différente dans un type différent de signal d'entrée changeant. Le comportement de sortie d'un amplificateur intégrateur est différent dans chaque cas d'entrée d'onde sinusoïdale, d'entrée d'onde carrée ou d'entrée d'onde triangulaire.

Comportement de l'intégrateur de l'ampli-op sur l'entrée Square Wave

Si l'onde carrée est fournie comme entrée de l'amplificateur intégrateur, la sortie produite sera une onde triangulaire ou une onde en dents de scie. Dans un tel cas, le circuit est appelé un générateur de rampe. En onde carrée, les niveaux de tension changent de bas à haut ou de haut à bas, ce qui rend le condensateur chargé ou déchargé.

Pendant le pic positif de l'onde carrée, le courant commence à circuler à travers la résistance et à l'étape suivante, le courant passe à travers le condensateur. Étant donné que le courant circulant à travers l'amplificateur opérationnel est nul, le condensateur se charge. La chose inverse se produira pendant le pic négatif de l'entrée d'onde carrée. Pour une fréquence élevée, le condensateur a très peu de temps pour se recharger complètement.

Le taux de charge et de décharge dépend de la combinaison résistance-condensateur. Pour une intégration parfaite, la fréquence ou le temps périodique de l'onde carrée d'entrée doit être inférieure à la constante de temps du circuit, qui est appelée: T doit être inférieure ou égale à CR (T <= CR).

Le circuit générateur d'ondes carrées peut être utilisé pour produire des ondes carrées.

Comportement de l'intégrateur de l'amplificateur opérationnel sur l'entrée sinusoïdale

Si l'entrée à travers un circuit intégrateur basé sur un ampli opérationnel est une onde sinusoïdale, l'ampli-op en configuration intégrateur produit une onde sinusoïdale déphasée de 90 degrés sur la sortie. C'est ce qu'on appelle une onde cosinus. Dans cette situation, lorsque l'entrée est une onde sinusoïdale, le circuit intégrateur agit comme un filtre passe-bas actif.

Comme évoqué précédemment, qu'en basse fréquence ou en courant continu, le condensateur produit un courant de blocage qui finit par réduire la contre-réaction et la tension de sortie sature. Dans un tel cas, une résistance est connectée en parallèle avec un condensateur. Cette résistance ajoutée fournit un chemin de rétroaction.

Dans l'image ci-dessus, une résistance supplémentaire R2 est connectée en parallèle avec le condensateur C1. L'onde sinusoïdale de sortie est déphasée de 90 degrés.

La fréquence d'angle du circuit sera

Fc = 1 / 2πCR2

Et le gain CC global peut être calculé en utilisant -

Gain = -R2 / R1

Le circuit générateur d'onde sinusoïdale peut être utilisé pour générer des ondes sinusoïdales pour l'entrée de l'intégrateur.

Comportement de l'intégrateur de l'ampli-op sur l'entrée d'onde triangulaire

En entrée d'onde triangulaire, l'ampli-op produit à nouveau une onde sinusoïdale. Comme l'amplificateur agit comme un filtre passe-bas, les harmoniques haute fréquence sont considérablement réduites. L'onde sinusoïdale de sortie se compose uniquement d'harmoniques à basse fréquence et la sortie sera de faible amplitude.

Applications de l'op-amp Integrator

1. L'intégrateur est une partie importante de l'instrumentation et est utilisé dans la génération de rampes.
2. Dans le générateur de fonctions, le circuit intégrateur est utilisé pour produire l'onde triangulaire.
3. L'intégrateur est utilisé dans un circuit de mise en forme d'onde tel qu'un autre type d'amplificateur de charge.
4. Il est utilisé dans les ordinateurs analogiques, où l'intégration doit être effectuée à l'aide du circuit analogique.
5. Le circuit intégrateur est également largement utilisé dans le convertisseur analogique-numérique.
6. Différents capteurs utilisent également un intégrateur pour reproduire des sorties utiles.