Odwracający wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny (wzmacniacz operacyjny) jest podstawą elektroniki analogowej. Wzmacniacz operacyjny to element elektroniczny sprzężony z prądem stałym, który wzmacnia napięcie z wejścia różnicowego za pomocą sprzężenia zwrotnego rezystora. Wzmacniacze operacyjne są popularne ze względu na swoją wszechstronność, ponieważ można je konfigurować na wiele sposobów i używać w różnych aspektach. Obwód wzmacniacza operacyjnego składa się z kilku zmiennych, takich jak szerokość pasma, impedancja wejściowa i wyjściowa, margines wzmocnienia itp. Różne klasy wzmacniaczy operacyjnych mają różne specyfikacje w zależności od tych zmiennych. Istnieje wiele wzmacniaczy operacyjnych dostępnych w różnych pakietach układów scalonych (IC), niektóre wzmacniacze operacyjne mają dwa lub więcej wzmacniaczy operacyjnych w jednym pakiecie. LM358, LM741, LM386 to niektóre powszechnie używane układy scalone wzmacniacza operacyjnego. Możesz dowiedzieć się więcej o wzmacniaczach operacyjnych, odwiedzając naszą sekcję poświęconą obwodom wzmacniaczy operacyjnych.

Wzmacniacz operacyjny ma dwa różnicowe styki wejściowe i styk wyjściowy wraz ze stykami zasilania. Te dwa styki wejściowe różnicowe to styk odwracający lub styk ujemny i nieodwracający lub dodatni. Wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięcia między tymi dwoma pinami wejściowymi i zapewnia wzmocnione wyjście na swoim pinie Vout lub wyjściowym.

W zależności od typu wejścia, wzmacniacz operacyjny można sklasyfikować jako wzmacniacz odwracający lub wzmacniacz nieodwracający. W poprzednim samouczku dotyczącym nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego widzieliśmy, jak używać wzmacniacza w konfiguracji nieodwracającej. W tym samouczku nauczymy się, jak używać wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji odwracającej.

Odwracająca konfiguracja wzmacniacza operacyjnego

Nazywa się to wzmacniaczem odwracającym, ponieważ wzmacniacz operacyjny zmienia kąt fazowy sygnału wyjściowego dokładnie o 180 stopni względem fazy w stosunku do sygnału wejściowego. Podobnie jak poprzednio, używamy dwóch zewnętrznych rezystorów do tworzenia obwodu sprzężenia zwrotnego i tworzenia obwodu zamkniętej pętli na wzmacniaczu.

W konfiguracji nieodwracającej zapewniliśmy pozytywne sprzężenie zwrotne na wzmacniaczu, ale w przypadku konfiguracji odwracającej wytwarzamy ujemne sprzężenie zwrotne w obwodzie wzmacniacza operacyjnego.

Zobaczmy schemat połączeń do odwracania konfiguracji wzmacniacza operacyjnego

W powyższym odwracającym wzmacniaczu operacyjnym widać, że R1 i R2 zapewniają niezbędne sprzężenie zwrotne w obwodzie wzmacniacza operacyjnego. R2 rezystorów jest rezystorem sygnału wejściowego, a R1 rezystor jest rezystor sprzężenia zwrotnego. Ten obwód sprzężenia zwrotnego wymusza różnicowe napięcie wejściowe prawie do zera.

Sprzężenie zwrotne jest podłączone do ujemnego zacisku wzmacniacza operacyjnego, a zacisk dodatni jest połączony z masą. Potencjał napięcia na wejściu odwracającym jest taki sam, jak potencjał napięcia na wejściu nieodwracającym. Tak więc, na wejściu nieodwracającym, tworzony jest punkt sumowania Wirtualnej Ziemi, który ma ten sam potencjał co ziemia lub Ziemia. Wzmacniacz operacyjny będzie działał jako wzmacniacz różnicowy.

Tak więc, w przypadku odwracającego wzmacniacza operacyjnego, nie ma przepływu prądu do zacisku wejściowego, również napięcie wejściowe jest równe napięciu sprzężenia zwrotnego na dwóch rezystorach, ponieważ oba są wspólnym wirtualnym źródłem masy. Ze względu na wirtualną masę rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest równa rezystorowi wejściowemu wzmacniacza operacyjnego, który wynosi R2. Ten R2 ma związek ze wzmocnieniem w zamkniętej pętli, a wzmocnienie można ustawić przez stosunek zewnętrznych rezystorów używanych jako sprzężenie zwrotne.

Ponieważ nie ma przepływu prądu w zacisku wejściowym, a różnicowe napięcie wejściowe wynosi zero, możemy obliczyć wzmocnienie pętli zamkniętej wzmacniacza operacyjnego. Dowiedz się więcej o konstrukcji wzmacniacza operacyjnego i jej działaniu, klikając łącze.

Wzmocnienie odwracającego wzmacniacza operacyjnego

Na powyższym obrazie pokazano dwa rezystory R2 i R1, które są rezystorami sprzężenia zwrotnego dzielnika napięcia używanymi wraz z odwracającym wzmacniaczem operacyjnym. R1 to rezystor sprzężenia zwrotnego (Rf), a R2 to rezystor wejściowy (Rin). Jeśli obliczymy prąd przepływający przez rezystor, to:

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

Ponieważ Dout jest środkiem rozdzielacza, możemy podsumować

Jak opisaliśmy wcześniej, ze względu na wirtualną masę lub ten sam punkt sumowania węzłów, napięcie sprzężenia zwrotnego wynosi 0, Dout = 0. Więc,

Tak więc wzór wzmacniacza odwracającego dla wzmocnienia w zamkniętej pętli będzie

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

Tak więc z tego wzoru otrzymujemy dowolną z czterech zmiennych, gdy pozostałe trzy zmienne są dostępne. Kalkulator wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego może być użyty do obliczenia wzmocnienia odwracającego wzmacniacza operacyjnego.

Jak widzimy we wzorze znak ujemny, wyjście będzie przesunięte o 180 stopni w fazie w przeciwieństwie do fazy sygnału wejściowego.

Praktyczny przykład wzmacniacza odwracającego

Na powyższym obrazku pokazano konfigurację wzmacniacza operacyjnego, w której dwa rezystory sprzężenia zwrotnego zapewniają niezbędne sprzężenie zwrotne we wzmacniaczu operacyjnym. Rezystor R2, który jest rezystorem wejściowym, a R1 jest rezystorem sprzężenia zwrotnego. Rezystor wejściowy R2 ma wartość rezystancji 1 kiloomów, a rezystor sprzężenia zwrotnego R1 ma wartość rezystancji 10 kiloomów. Obliczymy odwracające wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego. Sprzężenie zwrotne znajduje się w zacisku ujemnym, a zacisk dodatni jest połączony z masą.

Wzór na odwracanie wzmocnienia obwodu wzmacniacza operacyjnego

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

W powyższym obwodzie Rf = R1 = 10k i Rin = R2 = 1k

Więc zysk (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Wzmocnienie (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Więc wzmocnienie będzie -10 razy, a wyjście będzie przesunięte w fazie o 180 stopni.

Teraz, jeśli zwiększymy wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego do -20 razy, jaka będzie wartość rezystora sprzężenia zwrotnego, jeśli rezystor wejściowy będzie taki sam? Więc, Zysk = -20 i Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Jeśli więc zwiększymy wartość 10k do 20k, wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego wyniesie -20 razy.

Możemy zwiększyć wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego, zmieniając stosunek rezystorów, jednak nie zaleca się stosowania niższej rezystancji, jak Rin lub R2. Ponieważ niższa wartość rezystancji obniża impedancję wejściową i powoduje obciążenie sygnału wejściowego. W typowych przypadkach dla rezystora wejściowego przyjmuje się wartość od 4,7 k do 10 k.

Gdy wymaga dużego wzmocnienia i powinniśmy zapewnić wysoką impedancję na wejściu, należy zwiększyć wartość rezystorów sprzężenia zwrotnego. Ale nie jest również wskazane stosowanie rezystora o bardzo wysokiej wartości na Rf. Wyższy rezystor sprzężenia zwrotnego zapewnia niestabilny margines wzmocnienia i nie może być dobrym wyborem w przypadku operacji związanych z ograniczoną przepustowością. Typowa wartość 100k lub niewiele więcej niż jest używana w rezystorze sprzężenia zwrotnego.

Musimy również sprawdzić przepustowość obwodu wzmacniacza operacyjnego, aby zapewnić niezawodne działanie przy dużym wzmocnieniu.

Sumujący obwód wzmacniacza lub wzmacniacza operacyjnego

Odwracający wzmacniacz operacyjny może być używany w różnych miejscach, takich jak wzmacniacz sumujący wzmacniacza operacyjnego. Jednym z ważnych zastosowań odwracającego wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniacz sumujący lub wirtualny mikser uziemienia.

Na powyższym obrazku wirtualny mikser uziemienia lub wzmacniacz sumujący jest pokazany, gdzie odwrócony wzmacniacz operacyjny miksuje kilka różnych sygnałów na swoim terminalu odwracającym. Wejście wzmacniacza odwracającego ma praktycznie potencjał uziemienia, co zapewnia doskonałe zastosowanie miksera w pracy związanej z miksowaniem dźwięku.

Jak widać, różne sygnały są sumowane na ujemnym zacisku przy użyciu różnych rezystorów wejściowych. Nie ma ograniczeń co do liczby różnych wejść sygnałowych, które można dodać. Wzmocnienie każdego innego portu sygnałowego jest określone przez stosunek rezystora sprzężenia zwrotnego R2 i rezystora wejściowego danego kanału.

Dowiedz się również więcej o zastosowaniach wzmacniacza operacyjnego, śledząc różne obwody oparte na wzmacniaczu operacyjnym. Ta odwracająca konfiguracja wzmacniacza operacyjnego jest również używana w różnych filtrach, takich jak aktywny filtr dolnoprzepustowy lub aktywny filtr górnoprzepustowy.

Obwód wzmacniacza transimpedancyjnego

Innym zastosowaniem wzmacniacza odwracającego wzmacniacza operacyjnego jest użycie wzmacniacza jako wzmacniacza transimpedancyjnego.

W takim obwodzie wzmacniacz operacyjny przetwarza bardzo mały prąd wejściowy na odpowiednie napięcie wyjściowe. Zatem wzmacniacz trans-impedancji przekształca prąd w napięcie.

Może konwertować prąd z fotodiody, akcelerometrów lub innych czujników, które wytwarzają niski prąd, a za pomocą wzmacniacza transimpedancyjnego można przekształcić prąd w napięcie.

Na powyższym zdjęciu odwrócony wzmacniacz operacyjny używany do wytwarzania wzmacniacza transimpedancyjnego, który przekształca prąd pochodzący z fotodiody na napięcie. Wzmacniacz zapewnia niską impedancję na fotodiodzie i zapewnia izolację od napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego.

W powyższym obwodzie zastosowano tylko jeden rezystor sprzężenia zwrotnego. R1 jest rezystorem sprzężenia zwrotnego o dużej wartości. Możemy zmienić wzmocnienie, zmieniając wartość tego rezystora R1. Wysokie wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego wykorzystuje stabilne warunki, w których prąd fotodiody jest równy prądowi sprzężenia zwrotnego płynącego przez rezystor R1.

Ponieważ nie zapewniamy żadnego zewnętrznego napięcia polaryzacji na fotodiodzie, wejściowe napięcie przesunięcia fotodiody jest bardzo niskie, co powoduje duże wzmocnienie napięcia bez żadnego wyjściowego napięcia przesunięcia. Prąd fotodiody zostanie zamieniony na wysokie napięcie wyjściowe.

Inne zastosowania odwracającego wzmacniacza operacyjnego to -

1. Przesuwnik fazowy
2. Integrator
3. W pracach związanych z równoważeniem sygnału
4. Liniowy mikser RF
5. Różne czujniki wykorzystują odwracający wzmacniacz operacyjny na wyjściu.