Analogowe układy całkujące

W tym układzie wykorzystano wzmacniacz operacyjny LM324 firmy Texas Instruments. LM324 jest dobrym wzmacniaczem operacyjnym ogólnego przeznaczenia o niskim wejściowym prądzie polaryzacji (zwykle 45nA), niskim napięciu niezrównoważenia (zwykle 2mV) oraz iloczynem wzmocnienia i szerokości pasma 1,2MHz. Wejście obwodu jest sterowane przez generator funkcyjny symulatora o fali prostokątnej 500Hz. Jest to górna linia na oscyloskopie symulatora. Obwód całkuje falę prostokątną, a sygnał wyjściowy ma postać funkcji trójkątnej 500Hz widocznej u dołu oscyloskopu.

Wzmocnienie prądu stałego wynosi -270kΩ/75kΩ lub -3,6 lub 11dB. Jest to widoczne w funkcji transmitancji obwodu, w prawym dolnym rogu ilustracji 3. Pasmo przenoszenia przy -20dB na dekadę wynosi od około 100Hz do około 250kHz. Jest to użyteczny zakres częstotliwości pracy układu całkującego i jest on związany z iloczynem wzmocnienia i szerokości pasma wzmacniacza operacyjnego.

Układ TLV9002 firmy Texas Instruments jest nowszym modelem wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz ten charakteryzuje się iloczynem wzmocnienia i szerokości pasma 1MHz, wejściowym napięciem niezrównoważenia ±0,4mV oraz bardzo niskim wejściowym prądem polaryzacji 5pA. Jako wzmacniacz CMOS, jest on przeznaczony do szerokiej gamy tanich, przenośnych zastosowań.

Ważne jest, aby projektanci pamiętali, że układ całkujący jest urządzeniem kumulatywnym. W związku z tym bez odpowiedniej kompensacji, wejściowy prąd polaryzacji i wejściowe napięcie niezrównoważenia mogą z czasem powodować wzrost lub spadek napięcia kondensatora. W tym zastosowaniu wejściowy prąd polaryzacji i napięcie niezrównoważenia są stosunkowo niskie, a napięcie wejściowe wymusza okresowe rozładowanie kondensatora sprzężenia zwrotnego.

W zastosowaniach wykorzystujących funkcję akumulacji, jak w przypadku pomiaru ładunku, musi istnieć mechanizm resetowania napięcia i ustalania warunków początkowych w układzie całkującym. Układ ACF2101BU firmy Texas Instruments posiada taki mechanizm. Jest to podwójny przełączany układ całkujący, który zawiera wbudowany przełącznik do rozładowania kondensatora sprzężenia zwrotnego. Ponieważ urządzenie przeznaczone jest do zastosowań wymagających akumulacji ładunku, charakteryzuje się bardzo niskim wejściowym prądem polaryzacji 100fA i typowym napięciem niezrównoważenia ±0,5mV.

Podobnym przełączanym integratorem / wzmacniaczem transimpedancyjnym jest układ IVC102U firmy Texas Instruments. Jest on przeznaczony do tego samego zakresu zastosowań co ACF2101BU, ale różni się tym, że w obudowie znajduje się jedno urządzenie. Posiada również trzy wewnętrzne kondensatory sprzężenia zwrotnego. Zawiera on przełączniki do rozładowania banku kondensatorów i podłączania źródła wejścia, co daje projektantowi możliwość kontroli okresu całkowania i stosowania operacji wstrzymania, a także rozładowania napięcia na kondensatorze.

Nieodwracający układ całkujący

Podstawowy integrator odwraca całkę sygnału. Podczas gdy drugi odwracający wzmacniacz operacyjny połączony szeregowo z podstawowym układem całkującym może przywrócić fazę początkową, możliwe jest zaprojektowanie jednostopniowego nieodwracającego układu całkującego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: nieodwracający układ całkujący na bazie konfiguracji różnicowego wzmacniacza operacyjnego gwarantuje, że faza wyjściowa jest zgodna z wejściową. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Nieodwracająca wersja układu całkującego wykorzystuje integrator różnicowy, aby zachować fazę wejściową sygnału na wyjściu. W konstrukcji tej dodaje się elementy pasywne, które należy dopasować w celu uzyskania optymalnych parametrów pracy. Zależność pomiędzy napięciami wejściowymi i wyjściowymi jest taka sama jak w przypadku podstawowego układu całkującego, z wyjątkiem znaku, jak pokazano w równaniu 2: Podstawowy układ całkujący można dostosować również poprzez wykorzystanie tradycyjnych obwodów wzmacniacza operacyjnego. Na przykład można dodawać wiele wejść napięciowych (V1, V2, V3, …) poprzez zsumowanie każdego z nich na odpowiadającym mu rezystorze wejściowym (tj. R1, R2, R3, …) i podanie na nieodwracające wejście wzmacniacza operacyjnego. Wynikowy sygnał wyjściowy tego sumującego układu całkującego oblicza się za pomocą równania 3: Jeśli R1=R2=R3=R, wtedy wartość na wyjściu oblicza się przy wykorzystaniu równania 4: A wartość wyjściowa jest całką sumy wejść.