Integrator

BAGIAN DAN BAHAN

• Empat baterai 6 volt
• Penguat operasional, model 1458 direkomendasikan (Katalog Radio Shack # 276-038)
• Satu potensiometer 10 kΩ, lancip linier (Katalog Radio Shack # 271-1715)
• Dua kapasitor, masing-masing 0,1 F, tidak terpolarisasi (Katalog Radio Shack # 272-135)
• Dua resistor 100 kΩ
• Tiga resistor 1 MΩ

Hampir semua model penguat operasional akan bekerja dengan baik untuk eksperimen integrator ini, tetapi saya menetapkan model 1458 daripada model 353 karena 1458 memiliki arus bias masukan yang jauh lebih tinggi. Biasanya, arus bias masukan yang tinggi merupakan karakteristik yang buruk untuk dimiliki oleh sebuah op-amp dalam rangkaian penguat DC presisi (dan terutama rangkaian integrator!). Namun, saya ingin arus bias menjadi tinggi agar efek buruknya dapat dilebih-lebihkan, dan agar Anda dapat mempelajari satu metode untuk menangkal efeknya.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 8:“Penguat Operasional”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk menunjukkan metode untuk membatasi rentang potensiometer
• Untuk menentukan tujuan rangkaian integrator
• Untuk mengilustrasikan cara mengkompensasi arus bias op-amp

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Seperti yang Anda lihat dari diagram skematik, potensiometer terhubung ke “rel ” dari sumber daya melalui resistor 100 kΩ, satu di setiap ujungnya. Ini untuk membatasi rentang potensiometer sehingga gerakan penuh menghasilkan rentang tegangan input yang cukup kecil untuk op-amp beroperasi.

Pada salah satu ekstrem dari gerakan potensiometer, tegangan sekitar 0,5 volt (dengan memperhatikan titik tanah di tengah rangkaian baterai seri) akan dihasilkan pada penghapus potensiometer. Pada gerakan ekstrem lainnya, tegangan sekitar -0,5 volt akan dihasilkan. Ketika potensiometer diposisikan di tengah-mati, tegangan wiper harus mengukur nol volt.

Hubungkan voltmeter antara terminal output op-amp dan titik ground sirkuit. Perlahan gerakkan kontrol potensiometer sambil memantau tegangan output. Tegangan keluaran harus berubah pada tingkat yang ditetapkan oleh deviasi potensiometer dari posisi nol (tengah).

Untuk menggunakan istilah kalkulus, kita akan mengatakan bahwa tegangan output mewakili integral (sehubungan dengan waktu) dari fungsi tegangan input. Artinya, level tegangan input menetapkan tegangan output laju perubahan dari waktu ke waktu . Ini justru kebalikan dari diferensiasi , di mana turunan sinyal atau fungsi adalah laju perubahan seketika.

Jika Anda memiliki dua voltmeter, Anda dapat dengan mudah melihat hubungan antara tegangan input dan output laju perubahan tegangan dengan mengukur tegangan wiper (antara potensiometer wiper dan ground) dengan satu meter dan tegangan output (antara terminal output op-amp dan ground) dengan yang lain.

Menyesuaikan potensiometer untuk memberikan voltase nol akan menghasilkan laju perubahan tegangan keluaran terendah. Sebaliknya, semakin banyak input tegangan ke rangkaian ini, semakin cepat tegangan outputnya akan berubah, atau “ramp .”

Coba sambungkan kapasitor 0,1 F kedua secara paralel dengan yang pertama. Ini akan menggandakan jumlah kapasitansi dalam loop umpan balik op-amp. Apa pengaruhnya terhadap laju integrasi sirkuit untuk setiap posisi potensiometer tertentu?

Coba sambungkan resistor 1 MΩ lain secara paralel dengan resistor input (resistor yang menghubungkan penghapus potensiometer ke terminal pembalik op-amp). Ini akan setengah dari resistansi input integrator. Apa pengaruhnya terhadap tingkat integrasi sirkuit?

Sirkuit integrator adalah salah satu fungsi "blok bangunan" mendasar dari komputer analog. Dengan menghubungkan sirkuit integrator dengan amplifier, musim panas, dan potensiometer (pembagi), hampir semua persamaan diferensial dapat dimodelkan, dan solusi diperoleh dengan mengukur tegangan yang dihasilkan di berbagai titik dalam jaringan sirkuit.

Karena persamaan diferensial menggambarkan begitu banyak proses fisik, komputer analog digunakan sebagai simulator. Sebelum munculnya komputer digital modern, para insinyur menggunakan komputer analog untuk mensimulasikan proses seperti getaran mesin, lintasan roket, dan respons sistem kontrol. Meskipun komputer analog dianggap usang menurut standar modern, komponen penyusunnya masih berfungsi dengan baik sebagai alat pembelajaran untuk konsep kalkulus.

Gerakkan potensiometer hingga tegangan keluaran op-amp mendekati nol, dan gerakkan sepelan mungkin. Putuskan sambungan input integrator dari terminal penghapus potensiometer dan sambungkan ke ground, seperti ini:

Menerapkan tepat tegangan nol ke input dari rangkaian integrator harus, idealnya, menyebabkan laju perubahan tegangan output menjadi nol. Saat Anda membuat perubahan ini pada sirkuit, Anda akan melihat tegangan keluaran tetap pada tingkat yang konstan atau berubah sangat lambat.

Dengan input integrator masih korsleting ke ground, melewati resistor 1 MΩ yang menghubungkan input non-pembalik (+) op-amp ke ground. Seharusnya tidak perlu resistor ini dalam rangkaian op-amp yang ideal, jadi dengan korslet melewatinya, kita akan melihat fungsi apa yang diberikannya di nyata ini. rangkaian op-amp:

Segera setelah “pembumian Jika resistor korsleting dengan kabel jumper, tegangan output op-amp akan mulai berubah, atau melayang. Idealnya, hal ini tidak boleh terjadi, karena rangkaian integrator masih memiliki sinyal input nol volt. Namun, penguat operasional nyata memiliki jumlah arus yang sangat kecil yang memasuki setiap terminal input yang disebut arus bias . Arus bias ini akan menjatuhkan tegangan pada semua hambatan yang dilaluinya.

Karena resistor input 1 MΩ menghantarkan sejumlah arus bias terlepas dari besarnya sinyal input, resistor ini akan menjatuhkan tegangan pada terminalnya karena arus bias, sehingga “mengimbangi ” besarnya tegangan sinyal yang terlihat pada terminal pembalik op-amp. Jika input (non-pembalik) lainnya terhubung langsung ke ground seperti yang telah kita lakukan di sini, “offset ini ” tegangan yang ditimbulkan oleh jatuh tegangan yang dihasilkan oleh arus bias akan menyebabkan rangkaian integrator secara perlahan “berintegrasi ” seolah-olah menerima sinyal input yang sangat kecil.

“pembumian ” resistor lebih dikenal sebagai resistor kompensasi karena bertindak untuk mengkompensasi kesalahan tegangan yang dibuat oleh arus bias. Karena arus bias yang melalui setiap terminal input op-amp kira-kira sama satu sama lain, jumlah resistansi yang sama yang ditempatkan di jalur setiap arus bias akan menghasilkan penurunan tegangan yang kira-kira sama. Penurunan tegangan yang sama terlihat pada input komplementer dari sebuah op-amp membatalkan satu sama lain, sehingga meniadakan kesalahan yang disebabkan oleh arus bias.

Lepaskan korslet kabel jumper melewati resistor kompensasi dan perhatikan bagaimana output op-amp kembali ke keadaan yang relatif stabil. Mungkin masih ada yang hanyut, kemungkinan besar karena tegangan bias kesalahan dalam op-amp itu sendiri, tapi itu masalah lain sama sekali!

SIMULASI KOMPUTER

Skematis dengan nomor node SPICE:

Netlist (buat file teks yang berisi teks berikut, kata demi kata):

Integrator DC 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 

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit OpAmp Umpan Balik Negatif AC

• Lembar Kerja Sirkuit Komputasi Linier