Инвертиращ операционен усилвател

Op-Amp (Операционен усилвател) е гръбнакът на аналоговата електроника. Операционният усилвател е свързан с постоянен ток електронен компонент, който усилва напрежението от диференциален вход, използвайки резисторна обратна връзка. Операционните усилватели са популярни със своята гъвкавост, тъй като могат да бъдат конфигурирани по много начини и могат да бъдат използвани в различни аспекти. Операционната схема се състои от няколко променливи като честотна лента, входен и изходен импеданс, марж на печалбата и т.н. Различните класове операционни усилватели имат различни спецификации в зависимост от тези променливи. Има много операционни усилватели, налични в различни интегрални схеми (IC), някои операционни усилватели имат два или повече операционни усилватели в един пакет. LM358, LM741, LM386 са някои често използвани интегрални схеми за Op-amp. Можете да научите повече за Op-усилвателите, като следвате нашия раздел Op-amp схеми.

Операционният усилвател има два диференциални входни щифта и изходен щифт, заедно със захранващи щифтове. Тези два диференциални входни щифта са обръщащ щифт или отрицателен и неинвертиращ щифт или положителен. Операционният усилвател усилва разликата в напрежението между тези два входни щифта и осигурява усиления изход през неговия Vout или изходен щифт.

В зависимост от типа на входа, операционният усилвател може да бъде класифициран като Инвертиращ усилвател или Неинвертиращ усилвател. В предишния урок за неинвертиращ операционен усилвател видяхме как да използваме усилвателя в неинвертираща конфигурация. В този урок ще научим как да използваме оп-усилвател при обръщане на конфигурация.

Обръщане на конфигурацията на операционния усилвател

Той се нарича Инвертиращ усилвател, тъй като операционният усилвател променя фазовия ъгъл на изходния сигнал точно на 180 градуса извън фазата по отношение на входния сигнал. Подобно на преди, ние използваме два външни резистора, за да създадем верига за обратна връзка и да направим верига със затворен цикъл в усилвателя.

В неинвертиращата конфигурация ние предоставихме положителна обратна връзка през усилвателя, но за инвертираща конфигурация ние произвеждаме отрицателна обратна връзка във веригата на усилвателя.

Нека видим схемата на свързване за обръщане на конфигурацията на усилвателя

В горния инвертиращ операционен усилвател можем да видим, че R1 и R2 осигуряват необходимата обратна връзка по веригата на операционния усилвател. В R2 резистор е входния сигнал резистор и R1 резистор за обратна връзка резистор. Тази схема за обратна връзка принуждава диференциалното входно напрежение да е почти нула.

Обратната връзка е свързана през отрицателния терминал на операционния усилвател, а положителният терминал е свързан през земята. Потенциалът на напрежението на инвертиращия вход е същият като потенциала на напрежението на неинвертиращия вход. И така, през неинвертиращия вход се създава точка за сумиране на Виртуална Земя, която е в същия потенциал като земята или Земята. Операционният усилвател ще действа като диференциален усилвател.

Така че, в случай на инвертиране на операционния усилвател, няма токови потоци във входния терминал, също така входното напрежение е равно на напрежението на обратната връзка в два резистора, тъй като и двата са общ виртуален заземен източник. Поради виртуалната земя, входното съпротивление на операционния усилвател е равно на входния резистор на операционния усилвател, което е R2. Този R2 има връзка с усилване със затворен контур и коефициентът на усилване може да бъде зададен от съотношението на външните резистори, използвани като обратна връзка.

Тъй като във входния извод няма токов поток и диференциалното входно напрежение е нула, можем да изчислим печалбата от затворения контур на операционния усилвател Научете повече за изграждането на Op-amp и неговата работа, като следвате връзката.

Печалба от обръщане на Op-amp

На горното изображение са показани два резистора R2 и R1, които са резисторите за обратна връзка на делителя на напрежението, използвани заедно с инвертиращия усилвател. R1 е резисторът за обратна връзка (Rf) и R2 е входният резистор (Rin). Ако изчислим тока, протичащ през резистора, тогава

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

Тъй като Dout е средната точка на разделителя, така че можем да заключим

Както описахме по-рано, поради виртуалната земя или същата точка на сумиране на възела, напрежението на обратната връзка е 0, Dout = 0. И така,

Така че, формулата на инвертиращия усилвател за печалба със затворен цикъл ще бъде

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

И така, от тази формула получаваме някоя от четирите променливи, когато останалите три променливи са налични. Op-amp калкулатор Gain може да се използва за изчисляване на печалбата на инвертиращ op-amp.

Както можем да видим отрицателен знак във формулата, изходът ще бъде 180 градуса извън фазата, за разлика от фазата на входния сигнал.

Практически пример за инвертиращ усилвател

На горното изображение е показана конфигурация на операционния усилвател, където два резистора за обратна връзка осигуряват необходимата обратна връзка в операционния усилвател. Резисторът R2, който е входният резистор, а R1 е резисторът с обратна връзка. Входният резистор R2, който има стойност на съпротивление 1K ома, а резисторът с обратна връзка R1 има стойност на съпротивление 10k ома. Ще изчислим инвертиращото усилване на операционния усилвател. Обратната връзка се предоставя в отрицателния извод и положителният извод е свързан със земята.

Формулата за инвертиране на усилването на веригата на усилвателя

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

В горната схема Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

И така, Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Така че печалбата ще бъде -10 пъти и изходът ще бъде 180 градуса извън фазата.

Сега, ако увеличим усилването на операционния усилвател до -20 пъти, каква ще бъде стойността на резистора с обратна връзка, ако входният резистор ще бъде същият? Така, Печалба = -20 и Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Така че, ако увеличим стойността на 10k до 20k, печалбата на операционния усилвател ще бъде -20 пъти.

Можем да увеличим усилването на операционния усилвател, като променим съотношението на резисторите, но не е препоръчително да се използва по-ниско съпротивление като Rin или R2. Тъй като по-ниската стойност на съпротивлението намалява входния импеданс и създава товар към входния сигнал. В типичните случаи за входния резистор се използва стойност от 4.7k до 10k.

Когато се изисква висока печалба и трябва да осигурим висок импеданс на входа, трябва да увеличим стойността на резисторите с обратна връзка. Но също така не е препоръчително да се използва резистор с много висока стойност през Rf. По-високият резистор с обратна връзка осигурява нестабилна граница на печалба и не може да бъде жизнеспособен избор за операции, свързани с ограничена честотна лента. Типична стойност 100k или малко повече от тази, използвана в резистора за обратна връзка.

Също така трябва да проверим честотната лента на оп-усилвателната верига за надеждна работа при висока печалба.

Сумиращ усилвател или схема за добавяне на усилватели

Инвертиращ усилвател може да се използва на различни места, като например усилвател за сумиране на Op amp. Едно важно приложение на инвертиращия операционен усилвател е сумиращ усилвател или виртуален земен миксер.

В горното изображение е показан виртуален земен миксер или сумиращ усилвател, където обърнат операционен усилвател, смесващ няколко различни сигнала през инвертиращия терминал. Входът за инвертиращи усилватели е на практика в земния потенциал, което осигурява отлично приложение, свързано със смесител в работата, свързана със смесването на аудио.

Както виждаме, различни сигнали се събират през отрицателния терминал с помощта на различни входни резистори. Няма ограничение за броя на различните сигнални входове, които могат да бъдат добавени. Коефициентът на усилване на всеки различен порт за сигнал се определя от съотношението на резистора за обратна връзка R2 и входния резистор на конкретния канал.

Също така научете повече за приложенията на операционния усилвател, като следвате различни схеми, базирани на операционни усилватели. Тази инвертираща конфигурация на усилвател се използва и в различни филтри като активен нискочестотен или активен високочестотен филтър.

Трансимпедансна усилвателна верига

Друго използване на инвертиращ усилвател на Op усилвател е използването на усилвателя като транс-импедансен усилвател.

В такава схема операционният усилвател преобразува много нисък входен ток в съответното изходно напрежение. И така, транс-импедансният усилвател преобразува тока в напрежение.

Той може да преобразува тока от фотодиод, акселерометри или други сензори, които произвеждат нисък ток и използвайки транс-импедансния усилвател, токът може да се преобразува в напрежение.

В горното изображение, обърнат операционен усилвател, използван за направата на транс-импедансен усилвател, който преобразува тока, получен от фотодиода, в напрежение. Усилвателят осигурява нисък импеданс през фотодиода и създава изолацията от изходното напрежение на операционния усилвател.

В горната схема се използва само един резистор с обратна връзка. R1 е резисторът за обратна връзка с висока стойност. Можем да променим усилването, като променим стойността на този резистор R1. Високият коефициент на усилване на операционния усилвател използва стабилно състояние, при което фотодиодният ток е равен на тока на обратна връзка през резистора R1.

Тъй като не осигуряваме никакво външно пристрастие на фотодиода, входното компенсирано напрежение на фотодиода е много ниско, което води до голямо усилване на напрежението без изходно компенсирано напрежение. Токът на фотодиода ще се преобразува във високото изходно напрежение.

Други приложения на Inverting op-amp са -

1. Фазов превключвател
2. Интегратор
3. В работи, свързани с балансиране на сигнала
4. Линеен RF миксер
5. Различни сензори използват инвертиращ усилвател за изхода.