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Amplificador operacional como Integrador


El integrador Op-amp produce una tensión de salida que es proporcional a la amplitud y la duración de la señal de entrada.


Los amplificadores operacionales se pueden usar como parte de un amplificador de retroalimentación positiva o negativa o como un circuito tipo sumador o restador usando solo resistencias puras tanto en la entrada como en el circuito de retroalimentación.
Pero, ¿qué pasaría si cambiamos el  elemento de retroalimentación puramente resistivo (   ) de un amplificador inversor al de un  elemento complejo de tipo ( X ) de reactancia dependiente de la frecuencia  , como un condensador, C. ¿Cuál sería el efecto sobre la opacidad? Tensión de salida de amperios en su rango de frecuencia.
Al reemplazar esta resistencia de realimentación con un capacitor, ahora tenemos una red RC conectada a través de la ruta de realimentación de los amplificadores operacionales, lo que produce otro tipo de circuito amplificador operacional comúnmente denominado circuito integrador de amplificador operacional , como se muestra a continuación.

Circuito integrador de amplificador operacional

circuito amplificador integrador op-amp
Como su nombre lo indica, el integrador de amplificador operacional es un circuito amplificador operacional que realiza la operación matemática de la integración , es decir, podemos hacer que la salida responda a cambios en el voltaje de entrada a lo largo del tiempo, ya que el integrador de amplificador operacional produce un voltaje de salida. que es proporcional a la integral de la tensión de entrada .
En otras palabras, la magnitud de la señal de salida está determinada por el tiempo que una tensión está presente en su entrada cuando la corriente a través del bucle de realimentación carga o descarga el capacitor cuando se produce la retroalimentación negativa requerida a través del capacitor.
Cuando una tensión de paso, Vin se aplica en primer lugar a la entrada de un amplificador de integración, el condensador no cargado C tiene muy poca resistencia y actúa, un poco como un corto circuito que permite la máxima corriente fluya a través de la resistencia de entrada Rin como existe diferencia de potencial entre el dos platos No fluye corriente a la entrada del amplificador y el punto X es una tierra virtual que da como resultado una salida cero. Como la impedancia del capacitor en este punto es muy baja, la relación de ganancia de X C / R IN también es muy pequeña, lo que da una ganancia de voltaje total de menos de uno (circuito seguidor de voltaje).
A medida que el condensador de realimentación, C comienza a cargarse debido a la influencia de la tensión de entrada, su impedancia Xc aumenta lentamente en proporción a su tasa de carga. El condensador se carga a una velocidad determinada por la constante de tiempo RC, ( τ ) de la red de la serie RC. La retroalimentación negativa obliga al amplificador operacional a producir un voltaje de salida que mantiene una tierra virtual en la entrada inversora del amplificador operacional.
Dado que el condensador está conectado entre la entrada inversora del amplificador operacional (que está a un potencial de tierra) y la salida del amplificador operacional (que es negativa), la tensión potencial, Vc desarrollada a través del condensador, aumenta lentamente, lo que hace que la corriente de carga disminuya a medida que Aumenta la impedancia del condensador. Esto hace que la relación de Xc / Rin aumente, produciendo un voltaje de salida de rampa que aumenta linealmente y que continúa aumentando hasta que el condensador está completamente cargado.
En este punto, el condensador actúa como un circuito abierto, bloqueando más el flujo de corriente continua. La relación entre el condensador de realimentación y la resistencia de entrada ( X C / R IN ) ahora es infinita, lo que da como resultado una ganancia infinita. El resultado de esta alta ganancia (similar a la ganancia de bucle abierto de los amplificadores operacionales), es que la salida del amplificador entra en saturación como se muestra a continuación. (La saturación se produce cuando el voltaje de salida del amplificador oscila fuertemente a un riel de suministro de voltaje o al otro con poco o ningún control entre ellos).
salida del integrador op-amp
La velocidad a la que aumenta la tensión de salida (la velocidad de cambio) se determina por el valor de la resistencia y el condensador, " constante de tiempo RC ". Al cambiar este valor de constante de tiempo de RC , ya sea cambiando el valor del Condensador, Co la Resistencia, R , el tiempo en el que la tensión de salida tarda en alcanzar la saturación también se puede cambiar, por ejemplo.
señal de salida del integrador
Si aplicamos una señal de entrada que cambia constantemente, como una onda cuadrada, a la entrada de un Amplificador Integrador , el capacitor se cargará y descargará en respuesta a los cambios en la señal de entrada. Esto da como resultado que la señal de salida sea la de una forma de onda de diente de sierra cuya salida se ve afectada por la constante de tiempo RC de la combinación de resistencia / capacitor porque en las frecuencias más altas, el capacitor tiene menos tiempo para cargarse completamente. Este tipo de circuito también se conoce como generador de rampa y la función de transferencia se describe a continuación.

Op-amp Integrator Ramp Generator

forma de onda del diente de sierra
Sabemos a partir de primeros principios que el voltaje en las placas de un condensador es igual a la carga en el condensador dividido por su capacidad de dar Q / C . A continuación, el voltaje a través del condensador es la salida Vout por lo tanto: -Vout = Q / C . Si el capacitor se está cargando y descargando, la tasa de carga de voltaje a través del capacitor se da como:
voltaje a través de un condensador
Pero dQ / dt es corriente eléctrica y dado que la tensión del nodo del amplificador operacional de integración en su terminal de entrada inversora es cero, X = 0 , la corriente de entrada I (in) que fluye a través de la resistencia de entrada, Rin se da como:
Resistencia de integrador de amplificador operacional
La corriente que fluye a través del condensador de realimentación C se da como:
corriente del condensador integrador
Suponiendo que la impedancia de entrada del amplificador operacional es infinita (ideal op-amp), no fluye corriente hacia el terminal del op-amp. Por lo tanto, la ecuación nodal en el terminal de entrada inversora se da como:
ecuación integradora
De la cual derivamos una salida de voltaje ideal para el integrador de amplificador operacional como:
ecuación del integrador op-amp
Para simplificar un poco las matemáticas, esto también puede reescribirse como:
ecuación integradora simplificada
Donde: ω = 2πƒ y la tensión de salida Vout es una constante 1 / RC veces la integral de la tensión de entrada Vin con respecto al tiempo. El signo menos (  -  ) indica un cambio de fase de 180 o porque la señal de entrada está conectada directamente al terminal de entrada inversor del amplificador operacional.

El AC o el integrador continuo de amplificador operacional

Si cambiamos la señal de entrada de onda cuadrada anterior a la de una onda sinusoidal de frecuencia variable, el integrador de amplificador operacional se comporta menos como un integrador y comienza a comportarse más como un "filtro de paso bajo" activo, transmitiendo señales de baja frecuencia mientras atenúa el nivel alto. frecuencias
A 0 Hz o CC, el condensador actúa como un circuito abierto que bloquea cualquier voltaje de realimentación, lo que resulta en muy poca retroalimentación negativa desde la salida hasta la entrada del amplificador. Luego, solo con el condensador de realimentación, C , el amplificador se conecta efectivamente como un amplificador de bucle abierto normal que tiene una ganancia de bucle abierto muy alta que resulta en la saturación de voltaje de salida.
Este circuito conecta una resistencia de alto valor en paralelo con un condensador de carga y descarga continua. La adición de esta resistencia de realimentación, R 2 a través del condensador, C da el circuito de las características de un amplificador de inversión con ganancia en bucle cerrado finito de R 2 / R 1 . El resultado es que, a frecuencias muy bajas, el circuito actúa como un integrador estándar, mientras que a frecuencias más altas, el condensador corta la resistencia de realimentación, R 2 debido a los efectos de la reactancia capacitiva que reducen la ganancia del amplificador.

El AC Op-amp Integrator con DC Gain Control

Amplificador Integrador AC
A diferencia del amplificador integrador de CC superior, cuyo voltaje de salida en cualquier momento será la integral de una forma de onda, de modo que cuando la entrada sea una onda cuadrada, la forma de onda de salida será triangular. Para un integrador de CA, una forma de onda de entrada sinusoidal producirá otra onda sinusoidal como su salida que estará desfasada 90 ° con la entrada que produce una onda de coseno.
Además, cuando la entrada es triangular, la forma de onda de salida también es sinusoidal. Esto forma la base de un filtro de paso bajo activo como se vio antes en los tutoriales de la sección de filtros con una frecuencia de esquina dada como.
ganancia del integrador op-amp
En el siguiente tutorial sobre Amplificadores operacionales, veremos otro tipo de circuito amplificador operacional que es el opuesto o complemento del circuito Integrador de amplificador operacional anterior llamado Amplificador Diferenciador.
Como su nombre lo indica, el amplificador de diferenciador produce una señal de salida que es la operación matemática de diferenciación, es decir, produce una salida de voltaje que es proporcional a la tasa de cambio del voltaje de entrada y la corriente que fluye a través del capacitor de entrada.
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