Αντιστροφή λειτουργικού ενισχυτή

Το Op-Amp (Operational Amplifier) είναι η ραχοκοκαλιά της αναλογικής ηλεκτρονικής. Ένας λειτουργικός ενισχυτής είναι ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα συνδεδεμένο με DC που ενισχύει την τάση από μια διαφορική είσοδο χρησιμοποιώντας ανατροφοδότηση αντίστασης. Τα Op-Amps είναι δημοφιλή για την ευελιξία τους, καθώς μπορούν να διαμορφωθούν με πολλούς τρόπους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικές πτυχές. Ένα κύκλωμα op-amp αποτελείται από λίγες μεταβλητές όπως εύρος ζώνης, αντίσταση εισόδου και εξόδου, περιθώριο κέρδους κ.λπ. Διαφορετική κατηγορία op-amp έχει διαφορετικές προδιαγραφές ανάλογα με αυτές τις μεταβλητές. Υπάρχουν πολλά op-amp που διατίθενται σε διαφορετικά πακέτα ολοκληρωμένου κυκλώματος (IC), ορισμένα op-amp έχουν δύο ή περισσότερα op-amp σε ένα μόνο πακέτο. Τα LM358, LM741, LM386 είναι μερικά κοινά χρησιμοποιούμενα Op-amp IC. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τα Op-amp ακολουθώντας την ενότητα κυκλωμάτων Op-amp.

Ένα op-amp έχει δύο διαφορικούς πείρους εισόδου και έναν πείρο εξόδου μαζί με πείρους τροφοδοσίας. Αυτοί οι δύο ακροδέκτες εισόδου είναι ακροδέκτης αντιστροφής ή αρνητικός και μη αντιστρεπτικός ακροδέκτης ή θετικός. Ένα op-amp ενισχύει τη διαφορά τάσης μεταξύ αυτών των δύο ακίδων εισόδου και παρέχει την ενισχυμένη έξοδο σε ολόκληρο τον Vout ή τον πείρο εξόδου.

Ανάλογα με τον τύπο εισόδου, το op-amp μπορεί να ταξινομηθεί ως Ενισχυτής αντιστροφής ή Ενισχυτής χωρίς αντιστροφή. Στο προηγούμενο σεμινάριο μη-αντιστροφής op-amp, έχουμε δει πώς να χρησιμοποιήσουμε τον ενισχυτή σε μια μη αναστρέψιμη διαμόρφωση. Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε πώς να χρησιμοποιούμε το op-amp στην αντιστροφή της διαμόρφωσης.

Αντιστροφή της διαμόρφωσης λειτουργικού ενισχυτή

Ονομάζεται Inverting Amplifier επειδή το op-amp αλλάζει τη γωνία φάσης του σήματος εξόδου ακριβώς 180 μοίρες εκτός φάσης σε σχέση με το σήμα εισόδου. Όπως και πριν, χρησιμοποιούμε δύο εξωτερικές αντιστάσεις για να δημιουργήσουμε κύκλωμα ανάδρασης και να κάνουμε ένα κύκλωμα κλειστού βρόχου στον ενισχυτή.

Στη διαμόρφωση μη αναστροφής, παρείχαμε θετικά σχόλια σε ολόκληρο τον ενισχυτή, αλλά για τη διαμόρφωση αντιστροφής, παράγουμε αρνητική ανάδραση στο κύκλωμα op-amp.

Ας δούμε το διάγραμμα σύνδεσης για την αντιστροφή της διαμόρφωσης op-amp

Στο παραπάνω ανεστραμμένο op-amp, μπορούμε να δούμε ότι τα R1 και R2 παρέχουν την απαραίτητη ανατροφοδότηση σε όλο το κύκλωμα op-amp. Η αντίσταση R2 είναι η αντίσταση εισόδου σήματος και η αντίσταση R1 είναι η αντίσταση ανάδρασης. Αυτό το κύκλωμα ανάδρασης αναγκάζει τη διαφορική τάση εισόδου σχεδόν στο μηδέν.

Η ανάδραση συνδέεται στο αρνητικό τερματικό του op-amp και το θετικό τερματικό συνδέεται στο έδαφος. Το δυναμικό τάσης στην είσοδο αναστροφής είναι το ίδιο με το δυναμικό τάσης της εισόδου μη αναστροφής. Έτσι, σε όλη τη μη αναστρέψιμη είσοδο, δημιουργείται ένα αθροιστικό σημείο εικονικής γης, το οποίο έχει το ίδιο δυναμικό με το έδαφος ή τη Γη. Το op-amp θα λειτουργήσει ως διαφορικός ενισχυτής.

Έτσι, σε περίπτωση αντιστροφής op-amp, δεν υπάρχουν ρεύματα στο τερματικό εισόδου, επίσης η τάση εισόδου είναι ίση με την τάση ανάδρασης σε δύο αντιστάσεις καθώς και οι δύο είναι κοινή πηγή εικονικής γείωσης. Λόγω της εικονικής γείωσης, η αντίσταση εισόδου του op-amp είναι ίση με την αντίσταση εισόδου του op-amp που είναι R2. Αυτό το R2 έχει σχέση με το κέρδος κλειστού βρόχου και το κέρδος μπορεί να οριστεί από την αναλογία των εξωτερικών αντιστάσεων που χρησιμοποιούνται ως ανάδραση.

Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ροή ρεύματος στον ακροδέκτη εισόδου και η διαφορική τάση εισόδου είναι μηδέν, μπορούμε να υπολογίσουμε το κέρδος κλειστού βρόχου του op amp. Μάθετε περισσότερα σχετικά με τη λειτουργία Op-amp και τη λειτουργία της ακολουθώντας τον σύνδεσμο.

Κέρδος της αντιστροφής Op-amp

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζονται δύο αντιστάσεις R2 και R1, οι οποίες είναι οι αντιστάσεις ανάδρασης διαιρέτη τάσης που χρησιμοποιούνται μαζί με την αντιστροφή op-amp. Το R1 είναι η αντίσταση ανατροφοδότησης (Rf) και το R2 είναι η αντίσταση εισόδου (Rin). Εάν υπολογίσουμε το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης τότε-

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

Καθώς το Dout είναι το μεσαίο σημείο του διαχωριστή, έτσι μπορούμε να συμπεράνουμε

Όπως περιγράψαμε προηγουμένως, λόγω του εικονικού εδάφους ή του ίδιου σημείου αθροίσματος κόμβων, η τάση ανάδρασης είναι 0, Dout = 0. Έτσι,

Έτσι, η φόρμουλα αντιστροφής του ενισχυτή για κέρδος κλειστού βρόχου θα είναι

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

Έτσι, από αυτόν τον τύπο, λαμβάνουμε οποιαδήποτε από τις τέσσερις μεταβλητές όταν οι άλλες τρεις μεταβλητές είναι διαθέσιμες. Ο υπολογιστής κέρδους Op-amp μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του κέρδους ενός αντίστροφου op-amp.

Όπως μπορούμε να δούμε ένα αρνητικό σημάδι στον τύπο, η έξοδος θα είναι 180 μοίρες εκτός φάσης σε αντίθεση με τη φάση του σήματος εισόδου.

Πρακτικό παράδειγμα αναστροφής ενισχυτή

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται μια διαμόρφωση op-amp, όπου δύο αντιστάσεις ανάδρασης παρέχουν την απαραίτητη ανατροφοδότηση στο op-amp. Η αντίσταση R2 που είναι η αντίσταση εισόδου και η R1 είναι η αντίσταση ανάδρασης. Η αντίσταση εισόδου R2 που έχει τιμή αντίστασης 1K ohms και η αντίσταση ανάδρασης R1 έχει τιμή αντίστασης 10k ohms. Θα υπολογίσουμε το αντίστροφο κέρδος του op-amp. Η ανατροφοδότηση παρέχεται στον αρνητικό ακροδέκτη και ο θετικός ακροδέκτης συνδέεται με τη γείωση.

Ο τύπος για αντιστροφή κέρδους του κυκλώματος op-amp-

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

Στο παραπάνω κύκλωμα Rf = R1 = 10k και Rin = R2 = 1k

Έτσι, κέρδος (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Κέρδος (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Έτσι το κέρδος θα είναι -10 φορές και η έξοδος θα είναι 180 μοίρες εκτός φάσης.

Τώρα, εάν αυξήσουμε το κέρδος του op-amp σε -20 φορές, ποια θα είναι η τιμή αντίστασης ανάδρασης εάν η αντίσταση εισόδου θα είναι η ίδια; Ετσι, Κέρδος = -20 και Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Έτσι, αν αυξήσουμε την τιμή των 10k στα 20k, το κέρδος του op-amp θα είναι -20 φορές.

Μπορούμε να αυξήσουμε το κέρδος του op-amp αλλάζοντας την αναλογία αντιστάσεων, ωστόσο, δεν συνιστάται η χρήση χαμηλότερης αντίστασης ως Rin ή R2. Καθώς η χαμηλότερη τιμή της αντίστασης μειώνει την αντίσταση εισόδου και δημιουργεί ένα φορτίο στο σήμα εισόδου. Σε τυπικές περιπτώσεις, η τιμή από 4,7k έως 10k χρησιμοποιείται για την αντίσταση εισόδου.

Όταν απαιτείται υψηλό κέρδος και πρέπει να διασφαλίσουμε υψηλή αντίσταση στην είσοδο, πρέπει να αυξήσουμε την τιμή των αντιστάσεων ανάδρασης. Αλλά δεν συνιστάται επίσης η χρήση αντίστασης πολύ υψηλής αξίας σε όλη την Rf. Η υψηλότερη αντίσταση ανάδρασης παρέχει ασταθές περιθώριο κέρδους και δεν μπορεί να είναι βιώσιμη επιλογή για λειτουργίες περιορισμένου εύρους ζώνης. Τυπική τιμή 100k ή λίγο περισσότερο από αυτό που χρησιμοποιείται στην αντίσταση ανάδρασης.

Πρέπει επίσης να ελέγξουμε το εύρος ζώνης του κυκλώματος op-amp για την αξιόπιστη λειτουργία με υψηλό κέρδος.

Summing Amplifier ή Op Amp Adder Circuit

Ένα ανεστραμμένο op-amp μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορα μέρη όπως το Op amp Summing Amplifier. Μια σημαντική εφαρμογή της αντιστροφής του op-amp είναι ο αθροιστικός ενισχυτής ή ο αναμεικτήρας εικονικής γης.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένας εικονικός αναμίκτης γείωσης ή ένας ενισχυτής αθροίσματος όπου ένας ανεστραμμένος op-amp αναμιγνύει πολλά διαφορετικά σήματα σε όλο το τερματικό αναστροφής. Μια είσοδος αντιστρεπτικών ενισχυτών είναι ουσιαστικά στο δυναμικό γείωσης που παρέχει μια εξαιρετική εφαρμογή που σχετίζεται με το μίξερ σε εργασίες που σχετίζονται με τη μίξη ήχου.

Όπως μπορούμε να δούμε διαφορετικά σήματα προστίθενται μαζί στο αρνητικό τερματικό χρησιμοποιώντας διαφορετικές αντιστάσεις εισόδου. Δεν υπάρχει όριο στον αριθμό των διαφορετικών εισόδων σήματος που μπορούν να προστεθούν. Το κέρδος κάθε διαφορετικής θύρας σήματος καθορίζεται από την αναλογία αντίστασης ανάδρασης R2 και την αντίσταση εισόδου του συγκεκριμένου καναλιού.

Μάθετε επίσης περισσότερα για τις εφαρμογές του op-amp ακολουθώντας διάφορα κυκλώματα που βασίζονται σε op-amp. Αυτή η αντίστροφη ρύθμιση op-amp χρησιμοποιείται επίσης σε διάφορα φίλτρα όπως το ενεργό χαμηλό πέρασμα ή το ενεργό φίλτρο υψηλής διέλευσης.

Κύκλωμα ενισχυτή Trans-Impedance

Μια άλλη χρήση του ενισχυτή αναστροφής Op amp είναι η χρήση του ενισχυτή ως ενισχυτής Trans-Impedance.

Σε ένα τέτοιο κύκλωμα, το op-amp μετατρέπει πολύ χαμηλό ρεύμα εισόδου στην αντίστοιχη τάση εξόδου. Έτσι, ένας ενισχυτής Trans-Impedance μετατρέπει το ρεύμα σε τάση.

Μπορεί να μετατρέψει το ρεύμα από φωτοδίοδο, επιταχυνσιόμετρα ή άλλους αισθητήρες που παράγουν χαμηλό ρεύμα και χρησιμοποιώντας τον ενισχυτή trans-σύνθετης αντίστασης το ρεύμα μπορεί να μετατραπεί σε τάση.

Στην παραπάνω εικόνα, ένα ανεστραμμένο op-amp που χρησιμοποιείται για την κατασκευή Trans-Impedance Amplifier που μετατρέπει το ρεύμα που προέρχεται από τη φωτοδίοδο σε τάση. Ο ενισχυτής παρέχει χαμηλή αντίσταση σε όλη τη φωτοδίοδο και δημιουργεί την απομόνωση από την τάση εξόδου op-amp.

Στο παραπάνω κύκλωμα, χρησιμοποιείται μόνο μία αντίσταση ανάδρασης. Το R1 είναι η αντίσταση ανάδρασης υψηλής αξίας. Μπορούμε να αλλάξουμε το κέρδος αλλάζοντας αυτήν την τιμή της αντίστασης R1. Το υψηλό κέρδος του op-amp χρησιμοποιεί μια σταθερή κατάσταση όπου το ρεύμα φωτοδιόδου είναι ίσο με το ρεύμα ανάδρασης μέσω της αντίστασης R1.

Δεδομένου ότι δεν παρέχουμε εξωτερική μεροληψία στη φωτοδίοδο, η τάση μετατόπισης εισόδου της φωτοδιόδου είναι πολύ χαμηλή, η οποία παράγει μεγάλο κέρδος τάσης χωρίς καμία τάση μετατόπισης εξόδου. Το ρεύμα της φωτοδιόδου θα μετατραπεί στην υψηλή τάση εξόδου.

Άλλες εφαρμογές του Inverting op-amp είναι -

Μετατόπιση φάσης
Ολοκληρωτής
Σε σχετικές εργασίες εξισορρόπησης σήματος
Γραμμικός μίκτης RF
Διάφοροι αισθητήρες χρησιμοποιούν την αντιστροφή op-amp για την έξοδο.