Invertirajuće operativno pojačalo

Op-Amp (Operacijsko pojačalo) okosnica je analogne elektronike. Operacijsko pojačalo je istosmjerna elektronička komponenta koja pojačava napon s diferencijalnog ulaza pomoću povratne sprege. Op-pojačala su popularna zbog svoje svestranosti jer se mogu konfigurirati na mnogo načina i mogu se koristiti u različitim aspektima. Op-amp sklop sastoji se od nekoliko varijabli poput širine pojasa, ulazne i izlazne impedancije, marže pojačanja itd. Različita klasa op-pojačala ima različite specifikacije, ovisno o tim varijablama. Dostupno je mnogo op-pojačala u različitim paketima integriranih krugova (IC), neka op-pojačala imaju dva ili više op-pojačala u jednom paketu. LM358, LM741, LM386 su neke od najčešće korištenih IC opcijskih pojačala. Možete saznati više o Op-pojačalima slijedeći naš odjeljak Op-amp krugova.

Opcijsko pojačalo ima dva diferencijalna ulazna zatiča i izlazni zatik zajedno sa priključcima za napajanje. Ta dva diferencijalna ulazna pina su inverzni pin ili negativni i noninverting pin ili pozitivni. Opcijsko pojačalo pojačava razliku u naponu između ove dvije ulazne pinove i daje pojačani izlaz preko svog izlaznog ili izlaznog pina.

Ovisno o vrsti ulaza, opcijsko pojačalo može se klasificirati kao inverzno pojačalo ili neinvertirajuće pojačalo. U prethodnom vodiču za neinvertirajuća op-pojačala vidjeli smo kako koristiti pojačalo u neinvertirajućoj konfiguraciji. U ovom uputstvu naučit ćemo kako koristiti op-pojačalo u invertiranju konfiguracije.

Invertiranje konfiguracije operativnog pojačala

Zove se Invertirajuće pojačalo jer opcijsko pojačalo mijenja fazni kut izlaznog signala točno za 180 stupnjeva izvan faze u odnosu na ulazni signal. Kao i prije, koristimo dva vanjska otpora za stvaranje povratnog kruga i izradu kruga zatvorene petlje preko pojačala.

U neinvertiranoj konfiguraciji dali smo pozitivne povratne informacije preko pojačala, ali za invertirajuću konfiguraciju dajemo negativne povratne informacije preko op-amp kruga.

Pogledajmo dijagram povezivanja za invertiranje konfiguracije op-pojačala

U gornjem invertirajućem opitnom pojačalu možemo vidjeti da R1 i R2 pružaju potrebne povratne informacije kroz optički krug. R2 otpornik je ulazni signal otpornik, a R1 otpornik povratne otpornik. Ovaj krug povratne sprege prisiljava diferencijalni ulazni napon na gotovo nulu.

Povratne informacije povezane su preko negativnog priključka op-pojačala, a pozitivni preko tla. Potencijal napona na invertirajućem ulazu jednak je naponskom potencijalu neinvertiranog ulaza. Dakle, preko neinvertirajućih ulaza stvara se zbroj virtualne Zemlje koja je u istom potencijalu kao tlo ili Zemlja. Op-pojačalo će djelovati kao diferencijalno pojačalo.

Dakle, u slučaju invertiranja op-pojačala, nema struje u ulazni terminal, također je ulazni napon jednak povratnom naponu na dva otpornika, jer su oba zajednički virtualni izvor tla. Zbog virtualnog uzemljenja, ulazni otpor op-pojačala jednak je ulaznom otporu op-pojačala koji je R2. Ovaj R2 ima odnos sa pojačanim pojačanjem i pojačanje se može postaviti omjerom vanjskih otpornika koji se koriste kao povratna veza.

Kako na ulaznom priključku nema struje, a diferencijalni ulazni napon je nula, možemo izračunati dobitak zatvorenog kruga op amp-a. Saznajte više o izgradnji Op-pojačala i njegovom radu slijedeći vezu.

Dobitak okretanja opcijskog pojačala

Na gornjoj slici prikazana su dva otpora R2 i R1, koja su povratni otpornici napona djelitelja napona koji se koriste zajedno s invertirajućim op-pojačalom. R1 je povratni otpor (Rf), a R2 ulazni otpor (Rin). Ako izračunamo struju koja prolazi kroz otpor tada

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

Kako je Dout sredina razdjelnika, tako možemo zaključiti

Kao što smo prethodno opisali, zbog virtualnog uzemljenja ili iste točke zbrajanja čvora, povratni napon je 0, Dout = 0. Dakle,

Dakle, formula invertiranog pojačala za pojačanje u zatvorenoj petlji bit će

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

Dakle, iz ove formule dobivamo bilo koju od četiri varijable kad su ostale tri varijable dostupne. Op-amp Kalkulator pojačanja može se koristiti za izračunavanje pojačanja obrnutog op-pojačala.

Kao što možemo vidjeti negativni predznak u formuli, izlaz će biti za 180 stupnjeva izvan faze, za razliku od faze ulaznog signala.

Praktični primjer okretanja pojačala

Na gornjoj slici prikazana je konfiguracija op-pojačala, gdje dva povratna otpora pružaju potrebne povratne informacije u op-pojačalu. Otpornik R2 koji je ulazni otpornik, a R1 povratni otpornik. Ulazni otpor R2 koji ima vrijednost otpora 1K ohma, a povratni otpor R1 ima vrijednost otpora 10k ohma. Izračunati ćemo inverzni dobitak op-pojačala. Povratne informacije daju se u negativnom priključku, a pozitivni priključak povezan je s masom.

Formula za invertiranje pojačanja op-amp kruga-

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

U gornjem krugu Rf = R1 = 10k i Rin = R2 = 1k

Dakle, dobitak (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Dobitak (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Tako će dobitak biti -10 puta, a izlaz će biti 180 stupnjeva izvan faze.

Ako sada povećamo dobitak op-pojačala na -20 puta, kolika će biti vrijednost povratnog otpora ako će ulazni otpor biti isti? Tako, Dob = -20 i Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Dakle, ako vrijednost 10k povećamo na 20k, dobitak op-pojačala bit će -20 puta.

Dobitak op-pojačala možemo povećati promjenom omjera otpornika, međutim nije preporučljivo koristiti niži otpor kao Rin ili R2. Kako niža vrijednost otpora smanjuje ulaznu impedansu i stvara opterećenje ulaznom signalu. U tipičnim slučajevima za ulazni otpor koristi se vrijednost od 4,7k do 10k.

Kada je potrebno veliko pojačanje i ako bismo trebali osigurati visoku impedansu na ulazu, moramo povećati vrijednost povratnih otpora. Ali također nije preporučljivo koristiti otpor vrlo visoke vrijednosti preko Rf. Veći povratni otpor pruža nestabilnu granicu pojačanja i ne može biti održiv izbor za operacije povezane s ograničenom širinom pojasa. Tipična vrijednost 100 k ili malo više od one koja se koristi u povratnom otporu.

Također moramo provjeriti širinu pojasa op-amp kruga radi pouzdanog rada pri velikom pojačanju.

Zbirno pojačalo ili sklop za zbrajanje optičkih pojačala

Invertirajuće opcijsko pojačalo može se koristiti na raznim mjestima, kao što je pojačalo zbrajanja opcijskog pojačala. Jedna od važnih primjena invertiranja op-pojačala je zbrajno pojačalo ili virtualna mješalica zemlje.

Na gornjoj je slici prikazana virtualna mješalica zemlje ili zbrajno pojačalo gdje invertirani opcijski pojačavač miješa nekoliko različitih signala preko svog invertiranog terminala. Ulaz invertirajućih pojačala gotovo je na zemaljskom potencijalu što pruža izvrsnu primjenu miksera u radu na zvučnom miješanju.

Kao što vidimo, različiti se signali zbrajaju preko negativnog terminala pomoću različitih ulaznih otpornika. Ne postoji ograničenje broja različitih ulaza signala koji se mogu dodati. Pojačanje svakog različitog signalnog priključka određuje se omjerom povratnog otpora R2 i ulaznog otpora određenog kanala.

Također saznajte više o primjenama op-pojačala slijedeći različite sklopove zasnovane na op-pojačalima. Ova invertirajuća konfiguracija op-amp također se koristi u različitim filtrima poput aktivnog niskopropusnog ili aktivnog visokopropusnog filtra.

Krug transimpedancijskog pojačala

Još jedna upotreba optičkog pojačala s pojačalom koristi se kao pojačalo za transimpedanciju.

U takvom krugu opcijsko pojačalo pretvara vrlo nisku ulaznu struju u odgovarajući izlazni napon. Dakle, pojačalo s transimpedancijom pretvara struju u napon.

Može pretvoriti struju iz fotodiode, akcelerometara ili drugih senzora koji proizvode malu struju, a pomoću transimpedansnog pojačala struja se može pretvoriti u napon.

Na gornjoj slici, obrnuto opcijsko pojačalo koje se koristi za izradu transimpedancijskog pojačala koje pretvara struju izvedenu iz foto-diode u napon. Pojačalo pruža malu impedansu preko fotodiode i stvara izolaciju od izlaznog napona op-pojačala.

U gornjem krugu koristi se samo jedan povratni otpor. R1 je povratni otpor velike vrijednosti. Dobitak možemo promijeniti mijenjanjem vrijednosti ovog otpornika R1. Veliko pojačanje op-pojačala koristi stabilno stanje u kojem je struja fotodiode jednaka povratnoj struji kroz otpor R1.

Kako ne pružamo nikakvu vanjsku pristranost na foto-diodi, ulazni pomak napona fotodiode je vrlo nizak, što stvara veliko pojačanje napona bez ikakvog izlaznog napona. Struja foto-diode pretvorit će se u visoki izlazni napon.

Ostale primjene Inverting op-amp su -

Fazni mjenjač
Integrator
U radovima vezanim za uravnoteženje signala
Linearna RF miješalica
Razni senzori koriste invertirajuće opcijsko pojačalo za izlaz.