Integrator

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Vier 6 volt batterijen
• Operationele versterker, model 1458 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-038)
• Eén 10 kΩ potentiometer, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Twee condensatoren, elk 0,1 µF, niet-gepolariseerd (Radio Shack-catalogus # 272-135)
• Twee weerstanden van 100 kΩ
• Drie weerstanden van 1 MΩ

Vrijwel elk operationeel versterkermodel zal prima werken voor dit integratorexperiment, maar ik specificeer het model 1458 boven de 353 omdat de 1458 veel hogere ingangsbiasstromen heeft. Normaal gesproken is een hoge ingangsbiasstroom een ​​slechte eigenschap voor een op-amp in een precisie-DC-versterkercircuit (en vooral een integratorcircuit!). Ik wil echter dat de biasstroom hoog is, zodat de slechte effecten ervan kunnen worden overdreven en je een methode leert om de effecten ervan tegen te gaan.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Een methode tonen voor het beperken van de spanwijdte van een potentiometer
• Het doel van een integratorcircuit bepalen
• Om te illustreren hoe te compenseren voor op-amp bias-stroom

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Zoals je kunt zien in het schema, is de potentiometer verbonden met de "rails" ” van de stroombron via weerstanden van 100 kΩ, één aan elk uiteinde. Dit is om de spanwijdte van de potentiometer te beperken, zodat volledige beweging een vrij klein bereik aan ingangsspanningen produceert waarop de op-amp kan werken.

Aan het ene uiterste van de beweging van de potentiometer zal een spanning van ongeveer 0,5 volt (ten opzichte van het massapunt in het midden van de serie batterijreeks) worden geproduceerd bij de potentiometerwisser. Aan het andere uiterste van beweging zal een spanning van ongeveer -0,5 volt worden geproduceerd. Als de potentiometer in het midden staat, moet de wisserspanning nul volt meten.

Sluit een voltmeter aan tussen de uitgangsaansluiting van de op-amp en het aardingspunt van het circuit. Beweeg de potentiometerbesturing langzaam terwijl u de uitgangsspanning bewaakt. De uitgangsspanning moet veranderen met een snelheid die wordt bepaald door de afwijking van de potentiometer van de nulpositie (midden).

Om calculustermen te gebruiken, zouden we zeggen dat de uitgangsspanning de integraal . vertegenwoordigt (met betrekking tot de tijd) van de ingangsspanningsfunctie. Dat wil zeggen, het ingangsspanningsniveau bepaalt de veranderingssnelheid van de uitgangsspanning in de tijd . Dit is precies het tegenovergestelde van differentiatie , waarbij de afgeleide van een signaal of functie is de onmiddellijke veranderingssnelheid.

Als je twee voltmeters hebt, kun je deze relatie tussen ingangsspanning en uitgangsspanning gemakkelijk zien. door de wisserspanning (tussen de potentiometerwisser en aarde) te meten met één meter en de uitgangsspanning (tussen de op-amp-uitgangsklem en aarde) met de andere.

Het aanpassen van de potentiometer om nul volt te geven, zou moeten resulteren in de laagste veranderingssnelheid van de uitgangsspanning. Omgekeerd, hoe meer spanning er in dit circuit wordt ingevoerd, hoe sneller de uitgangsspanning zal veranderen, of "aanloop .”

Probeer de tweede condensator van 0,1 µF parallel aan de eerste aan te sluiten. Dit verdubbelt de hoeveelheid capaciteit in de feedbacklus van de op-amp. Welk effect heeft dit op de integratiesnelheid van het circuit voor een bepaalde potentiometerpositie?

Probeer een andere weerstand van 1 MΩ parallel aan te sluiten op de ingangsweerstand (de weerstand die de potentiometerwisser verbindt met de inverterende aansluiting van de op-amp). Dit zal de ingangsweerstand van de integrator halveren. Welk effect heeft dit op de integratiesnelheid van het circuit?

Integratorcircuits zijn een van de fundamentele "bouwstenen" -functies van een analoge computer. Door integratorcircuits te verbinden met versterkers, zomers en potentiometers (delers), kon bijna elke differentiaalvergelijking worden gemodelleerd en oplossingen worden verkregen door spanningen te meten die op verschillende punten in het netwerk van circuits worden geproduceerd.

Omdat differentiaalvergelijkingen zoveel fysieke processen beschrijven, worden analoge computers gebruikt als simulatoren. Vóór de komst van moderne digitale computers gebruikten ingenieurs analoge computers om processen als machinetrilling, rakettraject en reactie van het besturingssysteem te simuleren. Hoewel analoge computers volgens moderne normen als achterhaald worden beschouwd, werken de samenstellende onderdelen ervan nog steeds goed als leermiddelen voor rekenconcepten.

Verplaats de potentiometer totdat de uitgangsspanning van de op-amp zo dicht bij nul is als je kunt krijgen, en beweeg zo langzaam als je kunt. Koppel de integratoringang los van de potentiometerwisseraansluiting en verbind deze in plaats daarvan met aarde, als volgt:

Het toepassen van precies nul spanning op de ingang van een integratorschakeling zou er idealiter voor moeten zorgen dat de veranderingssnelheid van de uitgangsspanning nul is. Wanneer u deze wijziging in het circuit aanbrengt, zou u moeten opmerken dat de uitgangsspanning op een constant niveau blijft of zeer langzaam verandert.

Met de integratoringang nog steeds kortgesloten naar aarde, kort voorbij de weerstand van 1 MΩ die de niet-inverterende (+) ingang van de op-amp met aarde verbindt. Deze weerstand zou niet nodig moeten zijn in een ideaal op-amp-circuit, dus door er voorbij te gaan, zullen we zien welke functie het biedt in deze zeer echte op-amp circuit:

Zodra de “aarding ” weerstand is kortgesloten met een jumperdraad, zal de uitgangsspanning van de op-amp beginnen te veranderen of driften. Idealiter zou dit niet moeten gebeuren, omdat de integratorschakeling nog een ingangssignaal van nul volt heeft. Echte operationele versterkers hebben echter een zeer kleine hoeveelheid stroom die elke ingangsaansluiting binnenkomt, de biasstroom . Deze biasstromen zullen de spanning over elke weerstand in hun pad verlagen.

Omdat de ingangsweerstand van 1 MΩ een bepaalde hoeveelheid biasstroom geleidt, ongeacht de grootte van het ingangssignaal, zal deze de spanning over de klemmen laten vallen als gevolg van de biasstroom, dus "compensatie ” de hoeveelheid signaalspanning die wordt gezien op de inverterende aansluiting van de op-amp. Als de andere (niet-inverterende) ingang direct op aarde is aangesloten, zoals we hier hebben gedaan, is deze "offset ” spanning opgelopen door spanningsval gegenereerd door biasstroom zal ervoor zorgen dat het integratorcircuit langzaam “integreert ” alsof het een heel klein ingangssignaal ontvangt.

De “aarding ” weerstand is beter bekend als een compenserende weerstand omdat het werkt om spanningsfouten te compenseren die worden veroorzaakt door biasstroom. Aangezien de biasstromen door elke op-amp-ingangsaansluiting ongeveer gelijk aan elkaar zijn, zal een gelijke hoeveelheid weerstand die in het pad van elke biasstroom wordt geplaatst, ongeveer dezelfde spanningsval produceren. Gelijke spanningsdalingen die worden gezien bij de complementaire ingangen van een op-amp heffen elkaar op, waardoor de fout die anders wordt veroorzaakt door biasstroom teniet wordt gedaan.

Verwijder de kortsluiting van de jumperdraad langs de compenserende weerstand en merk op hoe de op-amp-uitgang terugkeert naar een relatief stabiele toestand. Het kan nog steeds wat driften, hoogstwaarschijnlijk als gevolg van bias voltage fout in de op-amp zelf, maar dat is een ander onderwerp!

COMPUTERSIMULATIE

Schema met SPICE-knooppuntnummers:

Netlijst (maak een tekstbestand met de volgende tekst, letterlijk):

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 

GERELATEERDE WERKBLAD:

• AC negatieve feedback OpAmp Circuits werkblad

• Lineair Computational Circuitry-werkblad