Инвертирующий операционный усилитель

ОУ (операционный усилитель) является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель - это электронный компонент со связью по постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны благодаря своей универсальности, поскольку их можно настраивать разными способами и использовать в разных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, запас усиления и т. Д. Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. Существует множество операционных усилителей в различных корпусах интегральных схем (ИС), некоторые операционные усилители содержат два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 - некоторые часто используемые микросхемы операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, посетив наш раздел «Схемы операционных усилителей».

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входных контакта и выходной контакт вместе с контактами питания. Эти два контакта дифференциального входа являются инвертирующими, или отрицательными, и неинвертирующими, или положительными. Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выход через свой Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель можно разделить на инвертирующий усилитель или неинвертирующий усилитель. В предыдущем руководстве по неинвертирующему операционному усилителю мы увидели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом руководстве мы узнаем, как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации.

Инвертирование конфигурации рабочего усилителя

Он называется инвертирующим усилителем, потому что операционный усилитель изменяет фазовый угол выходного сигнала точно на 180 градусов по фазе относительно входного сигнала. Как и раньше, мы используем два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замкнутого контура через усилитель.

В неинвертирующей конфигурации мы обеспечиваем положительную обратную связь через усилитель, но для инвертирующей конфигурации мы производим отрицательную обратную связь через схему операционного усилителя.

Посмотрим схему подключения инвертирующей конфигурации ОУ.

В вышеупомянутом инвертирующем операционном усилителе мы видим, что R1 и R2 обеспечивают необходимую обратную связь по схеме операционного усилителя. R2 Резистор является входным сигналом резистора, а R1 резистор резистор обратной связи. Эта цепь обратной связи доводит дифференциальное входное напряжение почти до нуля.

Обратная связь подключается к отрицательной клемме операционного усилителя, а положительная клемма подключается к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Таким образом, на неинвертирующем входе создается точка суммирования виртуальной Земли, имеющая тот же потенциал, что и земля или Земля. Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель.

Таким образом, в случае инвертирующего операционного усилителя на входной терминал не поступает ток, а также входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, поскольку оба они являются общим виртуальным источником заземления. Из-за виртуального заземления входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя R2. Этот R2 связан с коэффициентом усиления замкнутого контура, и коэффициент усиления может быть установлен соотношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку на входной клемме нет тока, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем вычислить коэффициент усиления ОУ с обратной связью. Узнать больше о конструкции ОУ и его работе можно по ссылке.

Усиление инвертирующего ОУ

На изображении выше показаны два резистора R2 и R1, которые представляют собой резисторы обратной связи делителя напряжения, используемые вместе с инвертирующим операционным усилителем. R1 - резистор обратной связи (Rf), а R2 - входной резистор (Rin). Если мы посчитаем ток, протекающий через резистор, то:

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

Поскольку Dout является средней точкой разделителя, мы можем сделать вывод

Как мы описали ранее, из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узлов напряжение обратной связи равно 0, Dout = 0. Итак,

Итак, формула инвертирующего усилителя для коэффициента усиления замкнутого контура будет

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

Итак, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, если доступны три другие переменные. Калькулятор коэффициента усиления операционного усилителя может использоваться для расчета коэффициента усиления инвертирующего операционного усилителя.

Поскольку мы видим отрицательный знак в формуле, выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов по сравнению с фазой входного сигнала.

Практический пример инвертирующего усилителя

На приведенном выше изображении показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе. Резистор R2 - входной резистор, а R1 - резистор обратной связи. Входной резистор R2 имеет значение сопротивления 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет значение сопротивления 10 кОм. Мы рассчитаем инвертирующее усиление операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается отрицательной клеммой, а положительная клемма соединена с землей.

Формула для инвертирования усиления схемы операционного усилителя -

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

В приведенной выше схеме Rf = R1 = 10k и Rin = R2 = 1k

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

Таким образом, усиление будет -10 раз, а выходной сигнал будет сдвинут по фазе на 180 градусов.

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя до -20 раз, каков будет номинал резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Так, Усиление = -20 и Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Таким образом, если мы увеличим значение 10k до 20k, коэффициент усиления операционного усилителя будет -20 раз.

Мы можем увеличить коэффициент усиления операционного усилителя, изменив соотношение резисторов, однако не рекомендуется использовать более низкое сопротивление в качестве Rin или R2. Поскольку меньшее значение сопротивления снижает входное сопротивление и создает нагрузку на входной сигнал. В типичных случаях для входного резистора используется значение от 4,7 кОм до 10 кОм.

Когда требуется высокое усиление и мы должны обеспечить высокий импеданс на входе, мы должны увеличить номинал резисторов обратной связи. Но также не рекомендуется использовать резистор очень большого номинала на Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас усиления и не может быть жизнеспособным выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или немного больше, чем используется в резисторе обратной связи.

Нам также необходимо проверить полосу пропускания схемы операционного усилителя для надежной работы при высоком усилении.

Суммирующий усилитель или схема сумматора операционного усилителя

Инвертирующий операционный усилитель можно использовать в различных местах, например, в качестве суммирующего усилителя операционного усилителя. Одним из важных применений инвертирующего операционного усилителя является суммирующий усилитель или смеситель виртуальной земли.

На изображении выше показан микшер или суммирующий усилитель с виртуальной землей, где инвертированный операционный усилитель смешивает несколько разных сигналов через свой инвертирующий вывод. Вход инвертирующего усилителя практически находится под потенциалом земли, что обеспечивает отличное приложение, связанное с микшером, при работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы складываются на отрицательном выводе с использованием разных входных резисторов. Нет ограничений на количество добавляемых различных сигнальных входов. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора обратной связи R2 и входного резистора конкретного канала.

Также узнайте больше о применении операционного усилителя, следуя различным схемам на основе операционного усилителя. Эта конфигурация инвертирующего операционного усилителя также используется в различных фильтрах, таких как активный фильтр нижних частот или активный фильтр верхних частот.

Схема трансимпедансного усилителя

Другое применение инвертирующего усилителя ОУ - использование усилителя в качестве трансимпедансного усилителя.

В такой схеме операционный усилитель преобразует очень низкий входной ток в соответствующее выходное напряжение. Итак, трансимпедансный усилитель преобразует ток в напряжение.

Он может преобразовывать ток от фотодиода, акселерометра или других датчиков, вырабатывающих слабый ток, а с помощью трансимпедансного усилителя ток можно преобразовать в напряжение.

На изображении выше инвертированный операционный усилитель, используемый для создания трансимпедансного усилителя, который преобразует ток, получаемый от фотодиода, в напряжение. Усилитель обеспечивает низкое сопротивление фотодиода и изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 - это резистор обратной связи высокого номинала. Мы можем изменить коэффициент усиления, изменив номинал резистора R1. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя использует стабильное состояние, при котором ток фотодиода равен току обратной связи через резистор R1.

Поскольку мы не обеспечиваем никакого внешнего смещения на фотодиоде, входное напряжение смещения фотодиода очень низкое, что дает большое усиление напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения. Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

Другие приложения инвертирующего ОУ являются -

1. Фазовращатель
2. Интегратор
3. В работах, связанных с балансировкой сигналов
4. Линейный радиочастотный смеситель
5. Различные датчики используют инвертирующий операционный усилитель для вывода.