Analogowe układy całkujące

Zanim świat elektroniki wszedł w erę cyfrową, układy sterowania, które opierają się na rozwiązywaniu równań różniczkowych wykorzystywały w tym celu obliczenia analogowe. W rezultacie komputery analogowe były dość powszechne, ponieważ prawie wszystkie równania różniczkowe wymagały zdolności całkowania sygnałów. Mimo że układy sterowania w większości przypadków są teraz cyfrowe, a całkowanie numeryczne zastąpiło całkowanie analogowe, nadal istnieje potrzeba stosowania analogowych układów całkujących do obsługi czujników, generowania sygnałów i filtrowania. W tych zastosowaniach wykorzystuje się układy całkujące oparte na wzmacniaczach operacyjnych z kondensatorami w pętli sprzężenia zwrotnego w celu zapewnienia niezbędnego przetwarzania sygnału w zastosowaniach małej mocy. Choć jest to nadal ważna cecha, wielu projektantów może łatwo przeoczyć ich przydatność. Niniejszy artykuł zawiera omówienie układów całkujących oraz wskazówki dotyczące właściwego projektowania, doboru komponentów i najlepszych praktyk, umożliwiających osiągnięcie doskonałych parametrów na kilku przykładach firmy Texas Instruments.

Podstawowy odwracający układ całkujący

Klasyczny analogowy układ całkujący wykorzystuje wzmacniacz operacyjny z kondensatorem w pętli sprzężenia zwrotnego (ilustracja 1).

© DigiKey

Ilustracja 1: podstawowy analogowy odwracający układ całkujący, składający się ze wzmacniacza operacyjnego z kondensatorem w pętli sprzężenia zwrotnego. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Napięcie wyjściowe, VOUT, układu całkującego w funkcji napięcia wejściowego, VIN, można obliczyć za pomocą równania 1. Współczynnik wzmocnienia podstawowego odwracającego układu całkującego wynosi -1/RC i stosuje się go do całki napięcia wejściowego. W praktyce kondensatory stosowane w układach całkujących powinny charakteryzować się tolerancjami niższymi niż 5% i niskim dryftem temperaturowym. Dobrym wyborem są kondensatory poliestrowe. W lokalizacjach ścieżek krytycznych należy stosować rezystory o tolerancji ±0,1%. Istnieje ograniczenie w takim obwodzie polegające na tym, że przy prądzie stałym kondensator reprezentuje obwód otwarty, a wzmocnienie dąży do nieskończoności. W obwodzie operacyjnym wyjście zostanie połączone z dodatnią lub ujemną szyną zasilania, w zależności od biegunowości niezerowego prądu stałego na wejściu. Można to skorygować poprzez ograniczenie wzmocnienia prądu stałego układu całkującego (ilustracja 2).

© DigiKey

Ilustracja 2: dodanie dużego rezystora równolegle do kondensatora sprzężenia zwrotnego ogranicza wzmocnienie prądu stałego i w efekcie powstaje praktyczny układ całkujący. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Dodanie rezystora o wysokiej wartości (RF) równolegle z kondensatorem sprzężenia zwrotnego ogranicza wzmocnienie prądu stałego podstawowego układu całkującego do wartości -RF/R - w efekcie powstaje praktyczne urządzenie. Ten dodatek rozwiązuje problem wzmocnienia prądu stałego, ale ogranicza zakres częstotliwości, w którym pracuje układ całkujący. Spojrzenie na rzeczywisty obwód pomoże zrozumieć to ograniczenie (ilustracja 3).

Ilustracja 3: symulacja praktycznego układu całkującego w programie TINA-TI z wykorzystaniem rzeczywistych komponentów. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)