Lab Integrator Op-Amp Presisi: Kompensasi Bias Current & Komputasi Analog
PARTS AND MATERIALS
- Empat baterai 6 volt
- Operational amplifier (model 1458, Radio Shack catalog #276-038)
- Potensiometer linear-taper 10 kΩ (Radio Shack #271-1715)
- Dua kapasitor non-polaris 0.1 µF (Radio Shack #272-135)
- Dua resistor 100 kΩ
- Tiga resistor 1 MΩ
Op-amp modern apa pun akan menjalankan integrator ini, tetapi LM1458 dipilih di sini karena input bias current yang tinggi memperbesar efek yang akan Anda pelajari untuk mengatasi. Meskipun bias current tinggi umumnya tidak diinginkan dalam rangkaian presisi, mereka melayani tujuan edukasi dalam demonstrasi ini.
CROSS-REFERENCES
Lessons in Electric Circuits, Volume 3, Chapter 8: “Operational Amplifiers”.
LEARNING OBJECTIVES
- Memonstrasikan teknik untuk membatasi jangkauan efektif potensiometer.
- Menjelaskan peran fungsional integrator dalam pemrosesan sinyal.
- Mengilustrasikan cara mengkompensasi bias current op-amp.
SCHEMATIC DIAGRAM
ILLUSTRATION
INSTRUCTIONS
Skematik menunjukkan potensiometer terhubung ke rel suplai melalui dua resistor 100 kΩ. Konfigurasi ini membatasi jangkauan output potensiometer, memastikan bahwa putaran penuh menghasilkan ayunan hanya sekitar ±0,5 V relatif dengan referensi mid-rail.
Saat pengunci di ujung kiri, tegangan output sekitar +0,5 V; di ujung kanan, sekitar –0,5 V. Pengunci yang berada di tengah memberikan referensi nol volt.
Pasang voltmeter antara output op-amp dan ground rangkaian. Perlahan-lahan sweep potensiometer sambil mengamati tegangan output. Output harus berubah pada tingkat yang ditetapkan oleh simpangan pengunci dari tengah—efektif mengintegrasikan sinyal masukan seiring waktu.
Dengan meter kedua, Anda dapat menampilkan secara bersamaan tegangan pengunci (masukan) dan tegangan output, membuat hubungan masukan-ke-tingkat terlihat.
Mengatur potensiometer untuk menghasilkan nol volt harus meminimalkan tingkat perubahan output. Bergerak dari titik nol meningkatkan kemiringan ramping.
Coba tambahkan kapasitor 0.1 µF kedua secara paralel dengan yang pertama. Menggandakan kapasitansi dalam loop umbal balik memperlambat laju integrasi, memperpanjang ramping untuk posisi pengunci tertentu.
Menambahkan resistor 1 MΩ keempat secara paralel dengan resistor masukan membagi resistansi masukan efektif, mempercepat integrasi. Variasi-variasi ini membantu mengilustrasikan bagaimana nilai komponen mempengaruhi konstanta waktu integrator.
Integrator adalah elemen dasar komputer analog. Saat digabungkan dengan penguat, simpul jumlah, dan pembagi variabel, mereka dapat hampir memodelkan persamaan diferensial linier apa pun, memungkinkan insinyur menyelesaikan persamaan dengan mengamati tingkat tegangan.
Secara historis, komputer analog mensimulasikan fenomena kompleks seperti dinamika kendaraan, trajetur roket, dan respons sistem kontrol sebelum sistem digital muncul. Meskipun sebagian besar digantikan, sirkuit konstituen tetap merupakan alat edukasi yang berharga untuk memvisualisasikan konsep kalkulus.
Selanjutnya, pindahkan potensiometer sampai tegangan output mendekati nol seakurat mungkin, lalu putuskan masukan dan pendekatkan terminal inverting ke ground seperti yang ditunjukkan:
Dengan masukan nol yang tepat, output integrator seharusnya tetap konstan. Dalam praktiknya, Anda akan memperhatikan output drift perlahan karena op-amp nyata memiliki bias current kecil yang mengalir ke setiap input.
Pendekatkan resistor 1 MΩ yang mengground masukan non-inverting. Resistor "kompensasi" ini mencocokkan jalur bias current pada kedua input, membatalkan offset voltage yang sebaliknya akan diintegrasikan. Saat resistor dilewati, output mulai drift; menyambungkannya kembali memulihkan stabilitas.
Setelah memulihkan resistor kompensasi, output masih dapat drift sedikit karena error bias voltage op-amp, topik lanjutan di luar lingkup lab ini.
COMPUTER SIMULATION
Skematik SPICE dengan nomor node
Netlist (salin teks di bawah ini ke file .cir):
DC integrator vinput 1 0 dc 0.05 r1 1 2 1meg c1 2 3 0.1u ic=0 e1 3 0 0 2 999k .tran 1 30 uic .plot tran v(1,0) v(3,0) .end
RELATED WORKSHEETS
- AC Negative Feedback Op-Amp Circuits Worksheet
- Linear Computational Circuitry Worksheet
