¿Cómo funciona un integrador de amplificadores ópticos?

Question

Sé que hay al menos dos preguntas relacionadas con esto en el desbordamiento de la pila, pero ninguna de ellas responde realmente a mi pregunta, y en cualquier caso, ambas preguntas fueron votadas a favor. Lo que busco es un entendimiento operacional de cómo funciona un integrador de amplificadores ópticos. Sé cómo un simple circuito RC puede integrarse, lo que no entiendo es cómo ayuda el bucle de retroalimentación en una configuración de amplificador operacional. Entiendo cómo funciona la retroalimentación en un amplificador no inversor. Tomé la siguiente figura de www.electronics-tutorials.ws. Este sitio web tiene una explicación pero no la sigo. Mi entendimiento hasta ahora es este:

1. Aplique un voltaje positivo al vinilo de entrada. La corriente fluye a través de Rin resultando inicialmente en un voltaje distinto de cero en X (¿correcto?).

2. Debido a la alta impedancia del amplificador operacional en X, podemos asumir que toda la corriente fluye entonces al condensador (inicialmente descargado).

3. El condensador comienza a cargarse, lo que resulta en un voltaje a través del condensador.

4. La diferencia de voltaje en las dos entradas del amplificador operativo (la entrada positiva está en cero, por lo que la diferencia es negativa) hace que la salida, vout, pase a ser negativa (suponemos que vout era cero inicialmente).

Mi pregunta es ¿qué pasa después? ¿Cómo actúa la retroalimentación para llevar la diferencia entre las dos entradas a cero? ¿O me he equivocado?

Estoy muy familiarizado con las pruebas para demostrar que la configuración se integrará pero no dan ninguna intuición real y muchos videos, wikpedia y libros pero casi todos regurgitan la prueba sin dar mucha perspicacia. Busco una comprensión intuitiva, no una prueba matemática.

Como curiosidad, también redibujé el circuito del amplificador óptico junto al integrador RC que se muestra a continuación, lo que sugiere que el amplificador óptico está amplificando el pequeño volúmen a través de C (asumiendo un alto R1) mientras que tiene una alta impedancia del nodo de resistencia/capacitador. No estoy seguro de que esa sea una forma legítima de verlo.

Answer 1

El amplificador operacional hará todo lo posible por mantener el mismo voltaje entre su entrada de más y menos. En un amplificador operacional ideal, no fluye corriente en las entradas, así que la única manera de hacerlo es cambiando su voltaje de salida.

En el esquema de abajo, \$v_+ = 0 \mathrm {V}\$ . Eso significa que el amplificador de operaciones tratará de mantener \$v_-\$ a cero, también.

Cualquier voltaje generado por V2 se convierte en corriente por R1. Porque \$v_-\$ se está llevando a cabo en \$0 \mathrm {V}\$ esa misma corriente tiene que fluir en C1. Y porque \$v_-\$ se está llevando a cabo en \$0 \mathrm {V}\$ el op-amp tiene que conducir el voltaje de salida de tal manera que la corriente en C1 coincida con la corriente en R1.

Así que si \$v_2\$ es constante, entonces la corriente en el nodo alrededor de la entrada negativa es constante, lo que significa que la corriente de ese nodo de la tapa debe ser constante y eso sólo puede suceder si el voltaje de salida está cayendo a un ritmo constante. El resultado final es que el op-amp integra el voltaje de entrada en el voltaje de salida.

Voltajes más complicados en \$v_2\$ causan un comportamiento más complicado, pero el operador siempre va a tratar de conducir \$v_-\$ a \$0 \mathrm {V}\$ . Sólo puede hacerlo satisfaciendo \$ \frac {d}{dt} C_1 v_{out} + \frac {v_2}{R_1} = 0 \$ . Si resuelves esa ecuación diferencial, dice que $$ v_{out} = - \frac {1}{R_1 C_1} \int v_2 dt $$

HTH

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

Answer 2

Esto puede ayudar:

• Recuerda que cuando la corriente fluye en la unión RC de tu amplificador operacional, el voltaje en ese punto tenderá a subir.
• Si el voltaje de entrada invertido se eleva un poco por encima del voltaje de entrada no invertido, entonces la salida del amplificador operacional comenzará a oscilar en negativo.
• La salida que oscila negativamente, a través del condensador 1 tienden a tirar de la entrada de inversión hacia cero de nuevo donde se estabilizan (por el momento).

El resultado es que la corriente de alimentación en el nodo RC hace que la salida del amplificador operacional se vuelva negativa.

Como curiosidad, también redibujé el circuito del amplificador operacional junto al integrador RC que se muestra a continuación, lo que sugiere que el amplificador operacional está amplificando el pequeño voltaje a través de C (asumiendo un alto R1) mientras que tiene una alta impedancia del nodo de resistencia/condensador. No estoy seguro de que esa sea una forma legítima de verlo.

Eso es correcto. Podría ser mejor de lo que piensas. El simple circuito RC tiene la ventaja de que no es invertido pero la desventaja de que no es lineal. Con un voltaje de entrada constante la salida será una curva de carga exponencial.

Poner el op-amp como se ha mostrado todavía permite que el condensador se cargue pero mantiene el terminal superior en tierra virtual. La ventaja es un cambio lineal en la salida. La desventaja es que hay un signo menos en la integral obtenida.

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1 Puedes pensar en un condensador como si mantuviera el voltaje a través de él como una constante a corto plazo. Eso significa que si el voltaje de un lado se cambia, el voltaje del otro lado intentará cambiar en la misma cantidad.

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Por los comentarios:

Una pregunta. ¿Cuál es la orientación del condensador en términos de corriente convencional? es decir, si el vin se vuelve positivo el condensador es asumo negativo en su lado derecho (vout más cercano). Ahora vout va negativo y por lo tanto reduce el voltaje a través del condensador hasta que el potencial en X es cero?

Creo que su comprensión es correcta.

Si V _en se vuelve positivo y la corriente fluye hacia el nodo X cargando C. (Recuerda que el voltaje del amplificador operativo no ha cambiado todavía.) Esto tiende a aumentar el voltaje en la entrada de inversión y eso hace que el voltaje de salida disminuya. Esto atrae algo de carga del lado derecho de C. Ahora la entrada inversora vuelve a bajar a cero voltios, pero hay carga en C, por lo que hay un voltaje a través de ella. Como la corriente convencional fluía hacia la derecha, queda un voltaje negativo en el condensador.

Answer 3

Rhody, ¿has oído hablar del efecto MILLER? Bueno - el circuito mostrado se llama "Integrador MILLER" porque el efecto MILLER es explotado. Recuerda: Este efecto reduce la impedancia de retroalimentación entre la salida de un amplificador (por ejemplo: colector) y la entrada de inversión (ejemplo: nodo base del transistor). Y el factor de aumento es la ganancia.

Aquí tenemos el mismo principio. Por lo tanto, habrá una impedancia capacitiva muy pequeña (es decir: un condensador muy grande) entre la entrada y la salida del opamp. Y el factor de aumento es la ganancia de lazo abierto Aol del opamp.

Por lo tanto, puedes hacer un comparación con un simple circuito RC . Sin embargo, debido al gran condensador, la frecuencia de corte es muy baja (casi DC).

Dominio de la frecuencia : La función de transferencia entre el nodo inversor de los opamps y la entrada de la señal es

Ho(s)=1/(1+sCo * R) con Co=Aol * C (efecto MILLER).

Debido al gran valor de Aol, podemos descuidar el "1" en el denominador y llegar a

Ho(s)=1/(sC * Aol *R)

Tenemos suerte y podemos usar la salida del opamp de baja resistencia (y multiplicar la función Ho(s) con la ganancia -Aol) y llegar al resultado final (salida del opamp a la entrada de la señal):

H(s)=Ho(s) * (-Aol) = - 1/sR*C (Función de transferencia de un integrador ideal)

Answer 4

La corriente del integrador de la tapa pasiva decae con el voltaje a medida que se acerca a la entrada.

El integrador de la tapa activa se satura después de algún tiempo si Vin ≠ 0 porque el voltaje de salida impulsa la corriente en Vin- para mantener la diferencia de 0V hasta que la salida se satura en el riel de suministro.

Así que la compensación de entrada es crítica y se necesita un interruptor analógico para descargar e inicializar a la salida de 0V.

anecdótico

Recuerdo que no sabía nada de esto en el primer año de Eng y mi otrora famoso cuñado médico, el Dr. de Anestesia, Cuidados Intensivos y cirugía a corazón abierto, me dio un recorrido por el hospital y me dijo que necesitaba un integrador para medir el contenido de O2 en la sangre para el cerebro, después de que la víctima de un ataque al corazón se detenga, para saber el mejor tratamiento (como la hipotermia) para dar cuando no hay respuesta a la desfibrilación. y medicinas con la probabilidad de éxito. No tenía ni idea! y me avergonzaba no saberlo! (circa '75) No lo estés. Sólo investígalo.