Invertujúci operačný zosilňovač

Operačný zosilňovač ( Op-Amp ) je chrbticou analógovej elektroniky. Operačný zosilňovač je jednosmerne viazaný elektronický komponent, ktorý zosilňuje napätie z diferenciálneho vstupu pomocou spätnej väzby odporu. Operačné zosilňovače sú populárne pre svoju univerzálnosť, pretože sa dajú konfigurovať mnohými spôsobmi a dajú sa použiť v rôznych aspektoch. Obvod operačného zosilňovača sa skladá z niekoľkých premenných, ako je šírka pásma, vstupná a výstupná impedancia, zisková marža atď. Rôzne triedy operačných zosilňovačov majú rôzne špecifikácie v závislosti od týchto premenných. Existuje veľa operačných zosilňovačov v rôznych balíkoch integrovaných obvodov (IC), niektoré operačné zosilňovače majú dva alebo viac operačných zosilňovačov v jednom balíku. LM358, LM741, LM386 sú niektoré bežne používané integrované obvody operačného zosilňovača. Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o operačných zosilňovačoch, postupujte podľa našej sekcie obvodov operačných zosilňovačov.

Operačný zosilňovač má dva diferenciálne vstupné kolíky a výstupný kolík spolu s výkonovými kolíkmi. Tieto dva kolíky diferenciálneho vstupu sú invertujúci pin alebo záporný a neinvertujúci pin alebo pozitívny. Operačný zosilňovač zosilňuje rozdiel napätia medzi týmito dvoma vstupnými pinmi a poskytuje zosilnený výstup cez svoj Vout alebo výstupný kolík.

V závislosti od typu vstupu možno operačný zosilňovač klasifikovať ako invertujúci zosilňovač alebo neinvertujúci zosilňovač. V predchádzajúcom výučbe neinvertujúcich operačných zosilňovačov sme videli, ako používať zosilňovač v neinvertujúcej konfigurácii. V tomto tutoriáli sa dozvieme, ako používať operačný zosilňovač v inverznej konfigurácii.

Invertovanie konfigurácie operačného zosilňovača

Inverzný zosilňovač sa nazýva, pretože operačný zosilňovač mení fázový uhol výstupného signálu presne o 180 stupňov mimo fázy vzhľadom na vstupný signál. Rovnako ako predtým, aj teraz používame dva externé odpory na vytvorenie spätnoväzbového obvodu a vytvorenie zosilneného obvodu s uzavretou slučkou.

V neinvertujúcej konfigurácii sme poskytli pozitívnu spätnú väzbu cez zosilňovač, ale pri invertujúcej konfigurácii produkujeme negatívnu spätnú väzbu cez obvod op-amp.

Pozrime sa na schému zapojenia pre invertovanie konfigurácie operačného zosilňovača

Vo vyššie uvedenom invertujúcom operačnom zosilňovači môžeme vidieť, že R1 a R2 poskytujú potrebnú spätnú väzbu cez obvod operačného zosilňovača. R2 Odpor je vstupný signál odpor, a R1 odpor je spätnoväzobný odpor. Tento spätnoväzbový obvod núti diferenčné vstupné napätie takmer na nulu.

Spätná väzba je pripojená cez záporný pól operačného zosilňovača a kladný pól je pripojený k zemi. Napäťový potenciál na invertujúcom vstupe je rovnaký ako napäťový potenciál na neinvertujúcom vstupe. Takže cez neinvertujúci vstup sa vytvorí sčítací bod Virtuálnej Zeme, ktorý je v rovnakom potenciáli ako zem alebo Zem. Operačný zosilňovač bude fungovať ako diferenciálny zosilňovač.

Takže v prípade invertovania operačného zosilňovača do vstupnej svorky neprúdi žiadny prúd, takisto sa vstupné napätie rovná spätnoväzbovému napätiu cez dva odpory, pretože obidve sú spoločným zdrojom virtuálnej zeminy. Vďaka virtuálnemu uzemneniu sa vstupný odpor operačného zosilňovača rovná vstupnému odporu operačného zosilňovača, ktorý je R2. Tento R2 má vzťah so ziskom uzavretej slučky a zisk je možné nastaviť pomerom externých odporov použitých ako spätná väzba.

Pretože na vstupnej svorke neprúdi žiadny prúd a diferenciálne vstupné napätie je nulové, môžeme vypočítať zisk uzavretej slučky operačného zosilňovača. Viac informácií o zúžení operačného zosilňovača a jeho fungovaní sa dozviete pomocou odkazu.

Zisk inverzie operačného zosilňovača

Na vyššie uvedenom obrázku sú zobrazené dva odpory R2 a R1, čo sú spätnoväzbové odpory deliča napätia používané spolu s invertujúcim operačným zosilňovačom. R1 je odpor spätnej väzby (Rf) a R2 je vstupný rezistor (Rin). Ak vypočítame prúd pretekajúci rezistorom potom-

i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))

Pretože Dout je stredový bod rozdeľovača, môžeme usudzovať

Ako sme už opísali, kvôli virtuálnemu uzemneniu alebo rovnakému bodu súčtu uzlov je spätnoväzbové napätie 0, Dout = 0. Takže,

Takže vzorec invertujúceho zosilňovača pre zisk uzavretej slučky bude

Zisk (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)

Z tohto vzorca teda dostaneme ktorúkoľvek zo štyroch premenných, keď sú ďalšie tri premenné k dispozícii. Kalkulačka zosilnenia operačného zosilňovača sa môže použiť na výpočet zisku invertujúceho operačného zosilňovača.

Ako vidíme vo vzorci záporné znamienko, na rozdiel od fázy vstupného signálu bude výstup o 180 stupňov mimo fázu.

Praktický príklad invertujúceho zosilňovača

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornená konfigurácia operačného zosilňovača, kde dva spätnoväzbové odpory poskytujú potrebnú spätnú väzbu v operačnom zosilňovači. Rezistor R2, ktorý je vstupným rezistorom, a R1 je spätnoväzbový rezistor. Vstupný odpor R2, ktorý má hodnotu odporu 1 K ohmov, a spätnoväzbový odpor R1, má hodnotu odporu 10 kOhmov. Vypočítame invertujúci zisk operačného zosilňovača. Spätná väzba sa poskytuje v zápornej svorke a kladná svorka je spojená so zemou.

Vzorec na invertovanie zosilnenia obvodu op-amp

Zisk (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)

Vo vyššie uvedenom okruhu Rf = R1 = 10k a Rin = R2 = 1k

Takže zisk (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Zisk (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Takže zisk bude -10 krát a výstup bude 180 stupňov mimo fázu.

Teraz, ak zvýšime zisk op-zosilňovača na -20 krát, aká bude hodnota spätnoväzbového rezistora, ak bude vstupný rezistor rovnaký? Takže

Zisk = -20 a Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Ak teda zvýšime hodnotu 10k na 20k, zisk operačného zosilňovača bude -20krát.

Zisk zosilňovača môžeme zvýšiť zmenou pomeru rezistorov. Nie je však vhodné používať nižší odpor ako Rin alebo R2. Pretože nižšia hodnota odporu znižuje vstupnú impedanciu a vytvára záťaž pre vstupný signál. V typických prípadoch sa pre vstupný rezistor používa hodnota od 4,7k do 10k.

Keď si vyžaduje vysoký zisk a mali by sme zabezpečiť vysokú impedanciu na vstupe, musíme zvýšiť hodnotu spätnoväzbových odporov. Ale tiež sa neodporúča používať rezistor veľmi vysokej hodnoty naprieč Rf. Rezistor s vyššou spätnou väzbou poskytuje nestabilnú hranicu zisku a nemôže byť životaschopnou voľbou pre operácie spojené s obmedzenou šírkou pásma. Typická hodnota 100k alebo niečo viac, ako sa používa v spätnoväzbovom rezistore.

Tiež musíme skontrolovať šírku pásma obvodu op-amp pre spoľahlivú prevádzku pri vysokom zisku.

Sčítací zosilňovač alebo obvod sčítača operačného zosilňovača

Invertujúci operačný zosilňovač sa dá použiť na rôznych miestach, ako napríklad ako zosilňovač operačného zosilňovača. Jednou dôležitou aplikáciou invertujúceho operačného zosilňovača je sčítací zosilňovač alebo virtuálny zemný mixér.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený virtuálny uzemňovací mixér alebo sčítací zosilňovač, kde invertovaný operačný zosilňovač mieša niekoľko rôznych signálov cez svoj invertujúci terminál. Vstup invertujúcich zosilňovačov je prakticky na potenciáli zeme, čo poskytuje vynikajúcu aplikáciu súvisiacu s mixážnym pultom v oblasti mixovania zvuku.

Ako vidíme, rôzne signály sa sčítavajú cez záporný terminál pomocou rôznych vstupných rezistorov. Počet rôznych vstupov signálu, ktoré je možné pridať, nie je nijako obmedzený. Zisk každého iného signálneho portu je určený pomerom spätnoväzbového odporu R2 a vstupného odporu konkrétneho kanálu.

Tiež sa dozviete viac o aplikáciách operačného zosilňovača sledovaním rôznych obvodov založených na operačných zosilňovačoch. Táto konfigurácia invertujúceho operačného zosilňovača sa tiež používa v rôznych filtroch, ako je aktívny dolný priechod alebo aktívny horný priechod.

Obvod zosilňovača transimpedancie

Ďalším využitím inverzného zosilňovača Op amp je použitie zosilňovača ako trans-impedančného zosilňovača.

V takomto obvode operačný zosilňovač prevádza veľmi nízky vstupný prúd na zodpovedajúce výstupné napätie. Takže, len Trans-Impedancia zosilňovač prevádza prúd na napätie.

Môže prevádzať prúd z fotodiódy, akcelerometra alebo iných snímačov, ktoré vytvárajú nízky prúd, a pomocou transimpedančného zosilňovača môže byť prúd prevedený na napätie.

Na vyššie uvedenom obrázku je invertovaný operačný zosilňovač použitý na výrobu trans-impedančného zosilňovača, ktorý prevádza prúd odvodený z fotodiódy na napätie. Zosilňovač poskytuje nízku impedanciu cez fotodiódu a vytvára izoláciu od výstupného napätia operačného zosilňovača.

Vo vyššie uvedenom obvode sa používa iba jeden spätnoväzbový rezistor. R1 je vysokohodnotný spätnoväzbový rezistor. Zisk môžeme zmeniť zmenou hodnoty tohto odporu R1. Vysoký zisk operačného zosilňovača využíva stabilný stav, keď sa prúd fotodiódy rovná prúdu spätnej väzby cez odpor R1.

Pretože neposkytujeme žiadne externé odchýlky cez fotodiódu, je vstupné ofsetové napätie fotodiódy veľmi nízke, čo vedie k veľkému zosilneniu napätia bez výstupného ofsetového napätia. Prúd fotodiódy sa prevedie na vysoké výstupné napätie.

Ďalšie aplikácie invertujúceho operačného zosilňovača sú -

Fázový posúvač
Integrátor
Pri prácach súvisiacich s vyvážením signálu
Lineárny RF mixér
Rôzne snímače používajú na výstup invertujúci operačný zosilňovač.