Інвертуючий операційний підсилювач

Op-Amp (Операційний підсилювач) є основою аналогової електроніки. Операційний підсилювач - це електронний компонент, з'єднаний постійним струмом, який підсилює напругу від диференціального входу за допомогою резисторного зворотного зв'язку. Операційні підсилювачі популярні своєю універсальністю, оскільки їх можна налаштувати різними способами та використовувати в різних аспектах. Схема операційного підсилювача складається з кількох змінних, таких як пропускна здатність, вхідний та вихідний імпеданс, запас коефіцієнта посилення тощо. Різні класи операційних підсилювачів мають різні технічні характеристики в залежності від цих змінних. Існує безліч операційних підсилювачів, доступних в різних пакетах інтегральних схем (ІС), деякі операційні підсилювачі мають два або більше операційних підсилювачів в одному корпусі. LM358, LM741, LM386 - це деякі часто використовувані мікросхеми Op-amp. Ви можете дізнатись більше про Op-підсилювачі, дотримуючись нашого розділу схем Op-amp.

Операційний підсилювач має два диференціальні вхідні штирі та вихідний штифт разом із штифтами живлення. Цими двома диференціальними вхідними штифтами є обертальний штифт або негативний та неінвертуючий штифт або позитивний. Операційний підсилювач підсилює різницю в напрузі між цими двома вхідними виводами і забезпечує посилений вихід через його Vout або вихідний висновок.

Залежно від типу вхідного сигналу, підсилювач можна класифікувати як інвертуючий підсилювач або неінвертуючий підсилювач. У попередньому підручнику з неінвертуючого підсилювача ми бачили, як використовувати підсилювач у неінвертуючій конфігурації. У цьому підручнику ми дізнаємось, як використовувати операційний підсилювач при інвертуванні конфігурації.

Інвертування конфігурації операційного підсилювача

Він називається інвертуючим підсилювачем, оскільки операційний підсилювач змінює фазовий кут вихідного сигналу рівно на 180 градусів поза фазою щодо вхідного сигналу. Як і раніше, ми використовуємо два зовнішні резистори, щоб створити схему зворотного зв'язку і зробити ланцюг із замкнутим контуром через підсилювач.

У неінвертуючій конфігурації ми забезпечили позитивний зворотний зв'язок через підсилювач, але для інвертуючої конфігурації ми виробляємо негативний зворотний зв'язок через схему підсилювача.

Давайте подивимося схему підключення для інвертування конфігурації операційного підсилювача

У наведеному вище інвертованому операційному підсилювачі ми бачимо, що R1 і R2 забезпечують необхідний зворотний зв'язок через схему операційного підсилювача. R2 Резистор є вхідним сигналом резистора, а R1 резистор резистор зворотного зв'язку. Ця схема зворотного зв'язку змушує диференціальну вхідну напругу майже до нуля.

Зворотній зв'язок з'єднаний через негативний термінал операційного підсилювача, а позитивний - через землю. Потенціал напруги на інвертуючому вході такий самий, як і потенціал напруги неінвертуючого входу. Отже, через неінвертуючий вхід створюється точка підсумовування Віртуальної Землі, яка має той самий потенціал, що і земля або Земля. Операційний підсилювач буде діяти як диференціальний підсилювач.

Отже, у разі інвертування операційного підсилювача на вхідний термінал не надходить струм, також вхідна напруга дорівнює напрузі зворотного зв'язку на двох резисторах, оскільки вони обидва є загальним віртуальним джерелом заземлення. Через віртуальне заземлення вхідний опір ОУ дорівнює вхідному резистору ОУ, який дорівнює R2. Цей R2 має взаємозв'язок із коефіцієнтом підсилення замкнутого циклу, і коефіцієнт підсилення може встановлюватися співвідношенням зовнішніх резисторів, що використовуються як зворотний зв'язок.

Оскільки на вхідному терміналі немає струму, а диференціальна вхідна напруга дорівнює нулю, ми можемо розрахувати коефіцієнт посилення замкнутого контуру операційного підсилювача. Дізнайтеся більше про конструкцію підсилювача та його роботу за посиланням.

Підсилення інвертуючого підсилювача

На зображенні вище показано два резистори R2 і R1, які є резисторами зворотного зв'язку дільника напруги, що використовуються разом з інвертуючим підсилювачем. R1 - резистор зворотного зв'язку (Rf), а R2 - вхідний резистор (Rin). Якщо обчислити струм, що протікає через резистор, тоді

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

Оскільки Dout є середньою точкою дільника, ми можемо зробити висновок

Як ми вже описали раніше, завдяки віртуальному заземленню або тій самій точці підсумовування вузла напруга зворотного зв'язку дорівнює 0, Dout = 0. Отже,

Отже, формула інвертуючого підсилювача для коефіцієнта підсилення в замкнутому циклі буде

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

Отже, з цієї формули ми отримуємо будь-яку з чотирьох змінних, коли доступні інші три змінні. Калькулятор підсилення операційного підсилювача можна використовувати для обчислення коефіцієнта підсилення інвертуючого підсилювача.

Як ми можемо побачити негативний знак у формулі, вихід буде на 180 градусів поза фазою на відміну від фази вхідного сигналу.

Практичний приклад інвертування підсилювача

На зображенні вище показано конфігурацію операційного підсилювача, де два резистори зворотного зв'язку забезпечують необхідний зворотний зв'язок в операційному підсилювачі. Резистор R2, який є вхідним резистором, а R1 - резистором зворотного зв'язку. Вхідний резистор R2, який має значення опору 1K Ом, а резистор R1 зворотного зв'язку має значення опору 10k Ом. Ми обчислимо інвертуюче підсилення операційного підсилювача. Зворотній зв'язок подається в мінусовій клемі, а позитивна клема з'єднана з землею.

Формула для інвертування коефіцієнта підсилення схеми операційного підсилювача -

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

У наведеній вище схемі Rf = R1 = 10k і Rin = R2 = 1k

Отже, підсилення (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Підсилення (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Отже, коефіцієнт підсилення буде в -10 разів, а вихід буде на 180 градусів поза фазою.

Тепер, якщо ми збільшимо коефіцієнт підсилення операційного підсилювача до -20 разів, яким буде значення резистора зворотного зв'язку, якщо вхідний резистор буде однаковим? Так, Коефіцієнт підсилення = -20 та Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Отже, якщо ми збільшимо значення 10k до 20k, коефіцієнт підсилення операційного підсилювача становитиме -20 разів.

Ми можемо збільшити коефіцієнт підсилення операційного підсилювача, змінивши співвідношення резисторів, однак, не рекомендується використовувати менший опір як Rin або R2. Оскільки нижче значення опору знижує вхідний опір і створює навантаження на вхідний сигнал. У типових випадках для вхідного резистора використовується значення від 4.7k до 10k.

Коли потрібно високе посилення, і ми повинні забезпечити високий імпеданс на вході, ми повинні збільшити значення резисторів зворотного зв'язку. Але також не доцільно використовувати дуже цінний резистор через Rf. Більш високий резистор зворотного зв'язку забезпечує нестабільний запас посилення і не може бути життєздатним вибором для операцій, пов'язаних з обмеженою пропускною здатністю. Типове значення 100k або трохи більше, ніж використовується в резисторі зворотного зв'язку.

Нам також потрібно перевірити пропускну здатність схеми операційного підсилювача на надійність роботи при високому коефіцієнті посилення.

Підсумовуючий підсилювач або схема підсилювача Op Amp

Інвертуючий підсилювач можна використовувати в різних місцях, наприклад, як підсилювач підсилювача Op amp. Одним з важливих застосувань інвертуючого підсилювача є підсумовуючий підсилювач або віртуальний змішувач землі.

На зображенні вище показано віртуальний змішувач землі або підсумовуючий підсилювач, де інвертований операційний підсилювач змішує кілька різних сигналів на своєму інвертуючому терміналі. Вхід інвертуючого підсилювача практично має земний потенціал, що забезпечує чудове застосування змішувача у роботі, пов’язаній із змішуванням звуку.

Як ми можемо бачити, різні сигнали складаються разом через негативну клему за допомогою різних вхідних резисторів. Немає обмежень на кількість різних входів сигналу, які можна додати. Коефіцієнт підсилення кожного різного порту сигналу визначається співвідношенням резистора зворотного зв'язку R2 та вхідного резистора конкретного каналу.

Також дізнайтеся більше про застосування операційного підсилювача, дотримуючись різних схем на основі операційних підсилювачів. Ця інвертуюча конфігурація підсилювача також використовується в різних фільтрах, таких як активний фільтр низьких частот або активний фільтр високих частот.

Трансимпедансна схема підсилювача

Іншим використанням інвертуючого підсилювача Op amp є використання підсилювача як транс-імпедансного підсилювача.

У такій схемі операційний підсилювач перетворює дуже низький вхідний струм у відповідну вихідну напругу. Отже, підсилювач Trans-Impedance перетворює струм у напругу.

Він може перетворювати струм від фотодіоду, акселерометрів або інших датчиків, які виробляють низький струм, і за допомогою трансмісидаційного підсилювача струм може перетворюватися в напругу.

На наведеному вище зображенні інвертований підсилювач, який використовується для створення підсилювача Trans-Impedance, який перетворює струм, отриманий від фотодіода, у напругу. Підсилювач забезпечує низький імпеданс на фотодіоді і створює ізоляцію від вихідної напруги операційного підсилювача.

У вищезазначеній схемі використовується лише один резистор зворотного зв'язку. R1 є високоцінним резистором зворотного зв'язку. Ми можемо змінити коефіцієнт підсилення, змінивши значення цього резистора R1. Високий коефіцієнт підсилення операційного підсилювача використовує стабільний стан, коли струм фотодіода дорівнює струму зворотного зв'язку через резистор R1.

Оскільки ми не забезпечуємо жодних зовнішніх зсувів на фотодіоді, напруга зміщення вхідного сигналу фотодіода дуже низька, що створює велике посилення напруги без будь-якої вихідної напруги зміщення. Струм фотодіода буде перетворено на високу вихідну напругу.

Інші програми інвертуючого підсилювача -

1. Перемикач фаз
2. Інтегратор
3. У роботі з балансуванням сигналів
4. Лінійний радіочастотний змішувач
5. Різні датчики використовують інвертуючий підсилювач для виходу.