วงจรรวมเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน: การก่อสร้างการทำงานและการใช้งาน

Op-amp หรือ Operational Amplifierเป็นหัวใจสำคัญของ Analog Electronics และจากแอพพลิเคชั่นมากมายเช่น Summing Amplifier, Differential Amplifier, Instrumentation Amplifier, Op-Amp ยังสามารถใช้เป็นตัวรวมซึ่งเป็นวงจรที่มีประโยชน์มากในแอพพลิเคชั่นที่เกี่ยวข้องกับอนาล็อก

ในแอพพลิเคชั่น Op-Amp แบบธรรมดาเอาต์พุตจะเป็นสัดส่วนกับแอมพลิจูดอินพุต แต่เมื่อกำหนดค่า op-amp เป็นตัวรวมระยะเวลาของสัญญาณอินพุตจะถูกพิจารณาด้วย ดังนั้นตัวรวมที่ใช้ op-amp สามารถทำการรวมทางคณิตศาสตร์ตามเวลาได้ บูรณาการผลิตแรงดันออกทั่วสหกรณ์แอมป์ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าอินพุตนั้น ดังนั้นเอาต์พุตจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าในช่วงเวลาหนึ่ง

การสร้างและการทำงานของวงจรรวม Op-amp

Op-amp เป็นส่วนประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และใช้ในการสร้างวงจรขยายที่มีประโยชน์มากมาย

การสร้างวงจร Integrator อย่างง่ายโดยใช้ op-ampต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองชิ้นและส่วนประกอบที่ใช้งานหนึ่งชิ้น ส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองตัวคือตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเป็นตัวกรองความถี่ต่ำลำดับที่หนึ่งในส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ Op-Amp วงจรอินทิเกรเตอร์ตรงข้ามกับวงจรแยกความแตกต่างของ Op-amp

การกำหนดค่า Op-amp อย่างง่ายประกอบด้วยตัวต้านทานสองตัวซึ่งสร้างเส้นทางป้อนกลับ ในกรณีของอินทิเกรเตอร์แอมพลิฟายเออร์ตัวต้านทานแบบป้อนกลับจะถูกเปลี่ยนด้วยตัวเก็บประจุ

ในภาพด้านบนวงจรอินทิเกรเตอร์พื้นฐานแสดงด้วยองค์ประกอบง่ายๆสามส่วน ตัวต้านทาน R1 และตัวเก็บประจุ C1 เชื่อมต่อผ่านเครื่องขยายเสียง เครื่องขยายเสียงอยู่ในการกำหนดค่า Inverting

อัตราขยายของ Op-amp นั้นไม่มีที่สิ้นสุดดังนั้นอินพุต Inverting ของเครื่องขยายเสียงจึงเป็นพื้นเสมือน เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับ R1 กระแสจะเริ่มไหลผ่านตัวต้านทานเนื่องจากตัวเก็บประจุมีความต้านทานต่ำมาก ตัวเก็บประจุเชื่อมต่ออยู่ในตำแหน่งป้อนกลับและความต้านทานของตัวเก็บประจุไม่มีนัยสำคัญ

ในสถานการณ์นี้หากคำนวณอัตราส่วนกำไรของเครื่องขยายเสียงผลลัพธ์จะน้อยกว่าเอกภาพ เนื่องจากอัตราขยายX _C / R ₁มีขนาดเล็กเกินไป ในทางปฏิบัติตัวเก็บประจุมีความต้านทานต่ำมากระหว่างเพลตและค่าใดก็ตามที่ R1 เก็บไว้ผลลัพธ์ของX _C / R ₁จะต่ำมาก

ตัวเก็บประจุเริ่มชาร์จโดยแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและในอัตราส่วนเดียวกันอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุก็เริ่มเพิ่มขึ้นเช่นกัน อัตราการชาร์จถูกกำหนดโดย RC - เวลาคงที่ของ R1 และ C1 ขณะนี้โลกเสมือนของ op-amp ถูกขัดขวางและผลตอบรับเชิงลบจะสร้างแรงดันขาออกทั่วทั้ง op-amp เพื่อรักษาสภาพโลกเสมือนในอินพุต

Op-amp ผลิตเอาต์พุตทางลาดจนกว่าตัวเก็บประจุจะได้รับการชาร์จจนเต็ม ตัวเก็บประจุประจุกระแสจะลดลงตามอิทธิพลของความต่างศักย์ระหว่างโลกเสมือนและเอาต์พุตเชิงลบ

การคำนวณแรงดันไฟฟ้าขาออกของวงจรรวม Op-amp

กลไกที่สมบูรณ์ที่อธิบายข้างต้นสามารถอธิบายได้โดยใช้การสร้างทางคณิตศาสตร์

ลองดูภาพด้านบน iR1 คือกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน G คือพื้นดินเสมือนจริง Ic1 คือกระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ

หากกฎหมายปัจจุบันของ Kirchhoff ถูกนำไปใช้กับทางแยก G ซึ่งเป็นกราวด์เสมือนiR1 จะเป็นผลรวมของกระแสที่เข้าในขั้ว Inverting (ขา Op-amp 2) และกระแสที่ผ่าน Capacitor C1

iR ₁ = ฉัน_{กลับขั้ว} + iC ₁

เนื่องจาก op-amp เป็น op-amp ในอุดมคติและโหนด G เป็นกราวด์เสมือนจึงไม่มีกระแสไหลผ่านขั้วกลับด้านของ op-amp ดังนั้นฉัน_{กลับขั้ว} = 0

iR ₁ = iC ₁

ตัวเก็บประจุ C1 มีความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า สูตรคือ -

ฉัน_C = C (dV _C / dt)

ทีนี้ลองใช้สูตรนี้ในสถานการณ์จริง

วงจรอินทิเกรเตอร์พื้นฐานซึ่งแสดงไว้ก่อนหน้านี้มีข้อเสียเปรียบ ตัวเก็บประจุบล็อก DC และด้วยเหตุนี้การได้รับ DC ของวงจร Op-Amp จึงกลายเป็นไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงใด ๆ ที่อินพุตของ Op-amp จะทำให้เอาต์พุตของ Op-amp อิ่มตัว เพื่อเอาชนะปัญหานี้สามารถเพิ่มความต้านทานควบคู่ไปกับตัวเก็บประจุได้ ตัวต้านทานจะ จำกัด การได้รับ DC ของวงจร

คอนฟิกูเรชัน Op-Amp in Integrator ให้เอาต์พุตที่แตกต่างกันในประเภทสัญญาณอินพุตที่เปลี่ยนไป พฤติกรรมเอาต์พุตของอินพุทแอมพลิฟายเออร์จะแตกต่างกันในแต่ละกรณีของอินพุตคลื่นไซน์อินพุตคลื่นสี่เหลี่ยมหรืออินพุตคลื่นสามเหลี่ยม

Op-amp Integrator Behavior บนอินพุต Square Wave

หากคลื่นสี่เหลี่ยมถูกจัดให้เป็นอินพุตไปยัง Integrator Amplifier ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นคลื่นสามเหลี่ยมหรือคลื่นฟันเลื่อย ในกรณีเช่นนี้วงจรเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทางลาด ในคลื่นสี่เหลี่ยมระดับแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนจากต่ำไปสูงหรือสูงเป็นต่ำซึ่งทำให้ตัวเก็บประจุถูกชาร์จหรือคายประจุ

ในช่วงยอดบวกของคลื่นสี่เหลี่ยมกระแสจะเริ่มไหลผ่านตัวต้านทานและในขั้นต่อไปกระแสจะไหลผ่านตัวเก็บประจุ เนื่องจากการไหลของกระแสผ่าน op-amp เป็นศูนย์ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จ สิ่งที่ย้อนกลับจะเกิดขึ้นระหว่างจุดสูงสุดเชิงลบของอินพุตคลื่นสี่เหลี่ยม สำหรับความถี่สูงตัวเก็บประจุจะใช้เวลาน้อยมากในการชาร์จจนเต็ม

อัตราการชาร์จและการปฏิบัติขึ้นอยู่กับการรวมตัวต้านทาน-ตัวเก็บประจุสำหรับการรวมที่สมบูรณ์แบบความถี่หรือระยะเวลาของคลื่นสี่เหลี่ยมอินพุตจะต้องน้อยกว่าค่าคงที่เวลาของวงจรซึ่งเรียกว่า: T ควรน้อยกว่าหรือเท่ากับ CR (T <= CR)

วงจรกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมสามารถใช้ในการผลิตคลื่นสี่เหลี่ยมได้

Op-amp Integrator Behavior บนอินพุต Sine Wave

ถ้าอินพุตข้ามวงจรอินทิเกรเตอร์ที่ใช้ op-amp เป็นคลื่นไซน์ Op-amp ในคอนฟิกูเรชันอินทิเกรเตอร์จะสร้างคลื่นไซน์ออกจากเฟส 90 องศาในเอาต์พุต นี้เรียกว่าคลื่นโคไซน์ในช่วงสถานการณ์นี้เมื่อเข้าเป็นคลื่นไซน์วงจรรวบรวมทำหน้าที่เป็นตัวกรองต่ำผ่านการใช้งาน

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าในความถี่ต่ำหรือใน DC ตัวเก็บประจุจะสร้างกระแสการปิดกั้นซึ่งในที่สุดจะลดข้อเสนอแนะและแรงดันไฟฟ้าขาออกอิ่มตัว ในกรณีเช่นนี้ตัวต้านทานจะเชื่อมต่อแบบขนานกับตัวเก็บประจุ ตัวต้านทานที่เพิ่มนี้จัดเตรียมเส้นทางป้อนกลับ

ในภาพด้านบนเป็นตัวต้านทานเพิ่มเติม R2 มีการเชื่อมต่อในแบบคู่ขนานกับตัวเก็บประจุ C1 คลื่นไซน์เอาต์พุตอยู่นอกเฟส 90 องศา

ความถี่มุมของวงจรจะเป็น

Fc = 1 / 2πCR2

และค่า DC Gain โดยรวมสามารถคำนวณได้โดยใช้ -

กำไร = -R2 / R1

วงจรกำเนิดคลื่นไซน์สามารถใช้เพื่อสร้างคลื่นไซน์สำหรับอินทิเกรเตอร์อินพุต

Op-amp Integrator Behavior บนอินพุต Triangular Wave

ในอินพุตคลื่นสามเหลี่ยม op-amp จะสร้างคลื่นรูปไซน์อีกครั้ง เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่ต่ำฮาร์มอนิกความถี่สูงจะลดลงอย่างมาก คลื่นไซน์เอาท์พุตประกอบด้วยเฉพาะฮาร์โมนิกความถี่ต่ำและเอาต์พุตจะมีแอมพลิจูดต่ำ

การใช้งาน Op-amp Integrator

Integrator เป็นส่วนสำคัญของเครื่องมือวัดและใช้ในการสร้าง Ramp
ในฟังก์ชันเจนเนอเรเตอร์วงจรอินทิเกรเตอร์ถูกใช้เพื่อสร้างคลื่นสามเหลี่ยม
อินทิเกรเตอร์ใช้ในวงจรสร้างคลื่นเช่นแอมพลิฟายเออร์ประจุชนิดอื่น
ใช้ในคอมพิวเตอร์อนาล็อกซึ่งจำเป็นต้องทำการรวมเข้าด้วยกันโดยใช้วงจรอนาล็อก
วงจรอินทิเกรเตอร์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล
เซ็นเซอร์ต่างๆยังใช้ตัวรวมเพื่อสร้างเอาต์พุตที่มีประโยชน์อีกด้วย