Precisie Op-amp Integrator Lab: Biasstroomcompensatie & Analog Computing

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Vier 6-volt batterijen
• Operationele versterker (model 1458, Radio Shack catalogus #276‑038)
• 10 kΩ lineaire potentiometer (Radio Shack #271‑1715)
• Twee 0,1 µF niet-gepolariseerde condensators (Radio Shack #272‑135)
• Twee 100 kΩ weerstanden
• Drie 1 MΩ weerstanden

Elke moderne op-amp kan deze integrator draaien, maar de LM1458 wordt hier gekozen omdat de hoge invoer-biasstroom de effecten vergroot die je leert te compenseren. Hoewel hoge biasstromen over het algemeen ongewenst zijn in precisiecircuits, dienen ze hier een educatief doel.

NASLAGWERKEN

Lessons in Electric Circuits, Deel 3, Hoofdstuk 8: "Operationele Versterkers".

LEERDOELEN

• Een techniek demonstreren voor het beperken van het effectieve bereik van een potentiometer.
• De functionele rol van een integrator in signaalverwerking uitleggen.
• Illustreren hoe op-amp biasstromen gecompenseerd kunnen worden.

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Het schema toont de potentiometer verbonden met de voedingsrails via twee 100 kΩ weerstanden. Deze configuratie beperkt het uitgangsbereik van de potentiometer, zodat een volledige draai slechts een bescheiden ±0,5 V zwenk oplevert ten opzichte van de midden-rail referentie.

Wanneer de wijper helemaal links staat, is de uitgangspanning ongeveer +0,5 V; helemaal rechts is het ≈ –0,5 V. Een gecentreerde wijper geeft een nul-spanningsreferentie.

Koppel een voltmeter tussen de op-amp uitgang en de circuitgrond. Draai de potentiometer langzaam terwijl je de uitgangspanning observeert. De uitgang zou moeten veranderen met een snelheid ingesteld door de afwijking van de wijper van het midden – effectief het integreren van het invoersignaal over de tijd.

Met een tweede meter kun je tegelijkertijd de wijperspanning (invoer) en de uitgangsspanning weergeven, waardoor de invoer-tot-snelheid relatie zichtbaar wordt.

Het instellen van de potentiometer op nul volt zou de veranderingssnelheid van de uitgang moeten minimaliseren. Afwijken van het nulpunt verhoogt de helling van de ramp.

Voeg de tweede 0,1 µF condensator parallel aan de eerste toe. Het verdubbelen van de capaciteit in de terugkoppellus vertraagt de integratiesnelheid, wat de ramp verlengt voor een gegeven wijperpositie.

Het toevoegen van een vierde 1 MΩ weerstand parallel aan de invoerweerstand halveert de effectieve invoerweerstand, wat de integratie versnelt. Deze variaties helpen illustreren hoe componentwaarden de tijdconstante van de integrator beïnvloeden.

Integrators zijn fundamentele elementen van analoge computers. Gecombineerd met versterkers, optelknooppunten en variabele delers, kunnen ze bijna elke lineaire differentiaalvergelijking modelleren, waardoor ingenieurs vergelijkingen kunnen oplossen door spanningsniveaus te observeren.

Historisch simuleerden analoge computers complexe verschijnselen zoals voertuigdynamica, raketbanen en regelsysteemresponsen voordat digitale systemen opkwamen. Hoewel grotendeels vervangen, blijven de bestanddelencircuits waardevolle educatieve hulpmiddelen voor het visualiseren van calculus-concepten.

Verplaats nu de potentiometer tot de uitgangsspanning zo dicht mogelijk bij nul is, koppel dan de invoer los en kortsluit de inverterende terminal naar grond zoals getoond:

Met een exacte nul-invoer, zou de uitgang van de integrator ideaal constant moeten blijven. In de praktijk zul je merken dat de uitgang langzaam afdrijft, omdat echte op-amps kleine biasstromen hebben die in elke ingang vloeien.

Kortsluit de 1 MΩ weerstand die de niet-inverterende ingang naar grond verbindt. Deze "compenserende weerstand" matcht het biasstroampad op beide ingangen, wat de offsetspanning die anders geïntegreerd zou worden, annuleert. Wanneer de weerstand overbrugd wordt, begint de uitgang te driften; het weer verbinden herstelt de stabiliteit.

Na het herstellen van de compenserende weerstand, kan de uitgang nog licht afdrijven door de biasspanningsfout van de op-amp, een geavanceerd onderwerp buiten deze lab.

COMPUTERSIMULATIE

SPICE-schematic met knooppunternummers

Netlist (kopieer de onderstaande tekst in een .cir bestand):

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 WERKBLADEN

• AC Negatieve Terugkoppeling Op‑Amp Circuits Werkblad
• Lineaire Computationele Circuits Werkblad