Invertující operační zesilovač

Op-Amp (operační zesilovač) je páteří analogové elektroniky. Operační zesilovač je stejnosměrná elektronická součástka, která zesiluje napětí z diferenciálního vstupu pomocí zpětné vazby odporu. Operační zesilovače jsou oblíbené pro svou univerzálnost, protože je lze konfigurovat mnoha způsoby a lze je použít v různých aspektech. Obvod operačního zesilovače se skládá z několika proměnných, jako je šířka pásma, vstupní a výstupní impedance, zisková marže atd. Různá třída operačních zesilovačů má různé specifikace v závislosti na těchto proměnných. Existuje spousta operačních zesilovačů dostupných v různých balíčcích integrovaných obvodů (IC), některé operační zesilovače mají dva nebo více operačních zesilovačů v jednom balení. LM358, LM741, LM386 jsou některé běžně používané integrované obvody operačních zesilovačů. Další informace o operačních zesilovačích naleznete v sekci Obvody operačních zesilovačů.

Operační zesilovač má dva diferenciální vstupní kolíky a výstupní kolík spolu s výkonovými kolíky. Tyto dva diferenciální vstupní piny jsou invertující kolík nebo záporný a neinvertující kolík nebo kladný. Operační zesilovač zesiluje rozdíl napětí mezi těmito dvěma vstupními piny a poskytuje zesílený výstup přes svůj Vout nebo výstupní kolík.

V závislosti na typu vstupu lze operační zesilovač klasifikovat jako invertující zesilovač nebo neinvertující zesilovač. V předchozím tutoriálu Neinvertující operační zesilovač jsme viděli, jak používat zesilovač v neinvertující konfiguraci. V tomto kurzu se naučíme, jak používat operační zesilovač v invertující konfiguraci.

Invertování konfigurace provozního zesilovače

Inverzní zesilovač se nazývá, protože operační zesilovač mění fázový úhel výstupního signálu přesně o 180 stupňů mimo fázi vzhledem ke vstupnímu signálu. Stejně jako dříve používáme dva externí odpory k vytvoření zpětnovazebního obvodu a vytvoření obvodu s uzavřenou smyčkou přes zesilovač.

V neinvertující konfiguraci jsme poskytli pozitivní zpětnou vazbu přes zesilovač, ale pro invertující konfiguraci produkujeme negativní zpětnou vazbu přes obvod op-amp.

Podívejme se na schéma zapojení pro invertování konfigurace op-amp

Ve výše uvedeném invertujícím operačním zesilovači vidíme, že R1 a R2 poskytují potřebnou zpětnou vazbu přes obvod operačního zesilovače. R2 Odpor je vstupní signál odpor, a R1 odpor je zpětnovazební odpor. Tento zpětnovazební obvod nutí diferenciální vstupní napětí téměř na nulu.

Zpětná vazba je připojena přes záporný vývod operačního zesilovače a kladný vývod přes zem. Napěťový potenciál na invertujícím vstupu je stejný jako napěťový potenciál neinvertujícího vstupu. Takže přes neinvertující vstup je vytvořen sčítací bod virtuální Země, který je ve stejném potenciálu jako země nebo Země. Operační zesilovač bude fungovat jako diferenciální zesilovač.

Takže v případě invertujícího operačního zesilovače do vstupního terminálu neproudí žádný proud, také vstupní napětí se rovná zpětnovazebnímu napětí přes dva odpory, protože oba jsou společným zdrojem virtuální země. Kvůli virtuální zemi je vstupní odpor operačního zesilovače stejný jako vstupní odpor operačního zesilovače, kterým je R2. Tento R2 má vztah se ziskem uzavřené smyčky a zisk lze nastavit poměrem externích rezistorů použitých jako zpětná vazba.

Protože na vstupní svorce není žádný proudový proud a diferenciální vstupní napětí je nulové, můžeme vypočítat zisk uzavřené smyčky operačního zesilovače. Další informace o konstrukci operačních zesilovačů a jejich fungování naleznete na následujícím odkazu.

Zisk invertujícího operačního zesilovače

Na výše uvedeném obrázku jsou zobrazeny dva odpory R2 a R1, což jsou zpětnovazební odpory děliče napětí používané spolu s invertujícím operačním zesilovačem. R1 je odpor zpětné vazby (Rf) a R2 je vstupní odpor (Rin). Pokud vypočítáme proud protékající rezistorem, pak-

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

Vzhledem k tomu, že Dout je středem děliče, můžeme konstatovat

Jak jsme popsali dříve, kvůli virtuální zemi nebo stejnému bodu sčítání uzlu je zpětnovazební napětí 0, Dout = 0. Takže,

Takže, invertující zesilovač vzorec pro uzavřené smyčky zisk bude

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

Z tohoto vzorce tedy získáme kteroukoli ze čtyř proměnných, když jsou k dispozici další tři proměnné. Kalkulátor zisku op-amp lze použít k výpočtu zisku invertujícího op-amp.

Jak vidíme ve vzorci záporné znaménko, výstup bude 180 stupňů mimo fázi na rozdíl od fáze vstupního signálu.

Praktický příklad invertujícího zesilovače

Na výše uvedeném obrázku je znázorněna konfigurace operačního zesilovače, kde dva zpětnovazební odpory poskytují potřebnou zpětnou vazbu v operačním zesilovači. Rezistor R2, který je vstupním rezistorem, a R1 je zpětnovazební rezistor. Vstupní rezistor R2, který má hodnotu odporu 1 K ohmů, a zpětnovazební rezistor R1, má hodnotu odporu 10 k ohmů. Vypočítáme invertující zisk operačního zesilovače. Zpětná vazba je poskytována v záporné svorce a kladná svorka je spojena se zemí.

Vzorec pro invertování zisku obvodu op-amp

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

Ve výše uvedeném obvodu Rf = R1 = 10k a Rin = R2 = 1k

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

Zisk tedy bude -10krát a výstup bude 180 stupňů mimo fázi.

Nyní, když zvýšíme zisk op-zesilovače na -20krát, jaká bude hodnota zpětnovazebního rezistoru, pokud bude vstupní odpor stejný? Tak, Zisk = -20 a Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Pokud tedy zvýšíme hodnotu 10k na 20k, zisk operačního zesilovače bude -20krát.

Můžeme zvýšit zisk operačního zesilovače změnou poměru rezistorů, nicméně není vhodné používat nižší odpor jako Rin nebo R2. Protože nižší hodnota odporu snižuje vstupní impedanci a vytváří zátěž pro vstupní signál. V typických případech se pro vstupní rezistor používá hodnota od 4,7k do 10k.

Když vyžaduje vysoký zisk a měli bychom zajistit vysokou impedanci na vstupu, musíme zvýšit hodnotu zpětnovazebních rezistorů. Rovněž se však nedoporučuje používat rezistor velmi vysoké hodnoty napříč Rf. Rezistor s vyšší zpětnou vazbou poskytuje nestabilní okraj zisku a nemůže být životaschopnou volbou pro operace spojené s omezenou šířkou pásma. Typická hodnota 100k nebo o něco více, než se používá ve zpětnovazebním rezistoru.

Musíme také zkontrolovat šířku pásma obvodu op-amp pro spolehlivý provoz při vysokém zisku.

Sčítací zesilovač nebo obvod sčítače operačních zesilovačů

Invertující operační zesilovač lze použít na různých místech, například jako zesilovač součtu operačních zesilovačů. Jednou důležitou aplikací invertujícího operačního zesilovače je sčítací zesilovač nebo směšovač virtuální země.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen směšovač nebo součtový zesilovač virtuální země, kde invertovaný operační zesilovač mísí několik různých signálů přes svůj invertující terminál. Vstup invertujících zesilovačů je prakticky na zemním potenciálu, což poskytuje vynikající aplikaci spojenou s mixážním pultem v mixování zvuku.

Jak vidíme, různé signály se sčítají přes záporný terminál pomocí různých vstupních rezistorů. Počet různých vstupů signálu, které lze přidat, není nijak omezen. Zisk každého odlišného signálního portu je určen poměrem zpětnovazebního rezistoru R2 a vstupního rezistoru konkrétního kanálu.

Také se dozvíte více o aplikacích operačního zesilovače sledováním různých obvodů založených na operačních zesilovačích. Tato konfigurace inverzního operačního zesilovače se také používá v různých filtrech, jako je aktivní dolní propust nebo aktivní horní propust.

Obvod zesilovače trans-impedance

Další použití inverzního zesilovače Op amp je použití zesilovače jako transimpedančního zesilovače.

V takovém obvodu operační zesilovač převádí velmi nízký vstupní proud na odpovídající výstupní napětí. Takže, jen Trans-Impedance zesilovač převádí proud na napětí.

Může převádět proud z fotodiody, akcelerometrů nebo jiných senzorů, které produkují nízký proud, a pomocí transimpedančního zesilovače lze proud převést na napětí.

Na výše uvedeném obrázku byl invertovaný operační zesilovač použit k výrobě trans-impedančního zesilovače, který převádí proud odvozený z fotodiody na napětí. Zesilovač poskytuje nízkou impedanci přes fotodiodu a vytváří izolaci od výstupního napětí op-amp.

Ve výše uvedeném obvodu se používá pouze jeden zpětnovazební rezistor. R1 je vysoce hodnotný zpětnovazební rezistor. Zisk můžeme změnit změnou hodnoty tohoto rezistoru R1. Vysoký zisk operačního zesilovače používá stabilní stav, kdy se proud fotodiody rovná proudu zpětné vazby přes odpor R1.

Protože neposkytujeme žádné externí zkreslení přes fotodiodu, je vstupní offsetové napětí fotodiody velmi nízké, což produkuje velký zisk napětí bez jakéhokoli výstupního offsetového napětí. Proud fotodiody bude převeden na vysoké výstupní napětí.

Další aplikace Inverting op-amp jsou -

Fázový měnič
Integrátor
Při práci související s vyvážením signálu
Lineární RF směšovač
Různé senzory používají pro výstup invertující operační zesilovač.