Amplificatoare operaționale: topologii inversă vs neinvertind

Un amplificator operațional, în centrul său, este un amplificator de tensiune de înaltă performanță, integrant pentru o multitudine de sisteme electronice.Acest dispozitiv pivotează o filozofie de proiectare care folosește inductorii, condensatorii și rezistențele.Aceste componente se împletesc într -un dans de sofisticare, orchestrarea câștigului de tensiune printr -un mecanism de feedback complex.În mod obișnuit, o op-AMP este distilată în trei terminale fundamentale: intrarea de inversare, intrarea neinversătoare și ieșirea.Dansul complex al acestor terminale dictează performanța și aplicarea amplificatorului.

Catalog

Într -un scenariu idealizat, un amplificator OP este o paragină de perfecțiune, lăudând atribute precum rezistența infinită la ambele intrări - un testament al trecerii niciunui curent în terminale.Acesta asigură o tensiune uniformă în intrări, rezistență la ieșire zero, câștig de buclă deschisă nelimitat, lățime de bandă infinită și compensare neglijabilă.Cu toate acestea, înainte de a ne aprofunda pe tărâmul amplificatoarelor operaționale, este foarte necesar să înțelegem natura feedback -ului negativ.Acest concept nu este doar un pilon în proiectarea circuitului;Este piatra de temelie pentru circuite electronice de înaltă performanță, stabile.

Articolul nostru își propune să dezvăluie nuanțele de feedback negativ, considerațiile sale de proiectare și îmbunătățirea performanței circuitului prin optimizarea acestuia.Următoarea linie este o disecție meticuloasă a două topologii de amplificatoare operaționale pivotale: amplificatoarele inversante și care nu inversează.Ne aduc în principiile lor, metodele de calcul și elementele pivotale în proiectarea circuitului.Această scufundare profundă ne va oferi o vedere panoramică a modului în care aceste topologii de amplificator facilitează controlul preciziei și stabilitatea neclintită în aplicațiile din lumea reală.

Înainte de a înțelege amplificatoarele operaționale (topologii de inversare și care nu inversează), trebuie să înțelegem un concept cheie, feedback negativ.

Feedback-ul negativ nu este doar o tehnică de proiectare a circuitului, ci și piatra de temelie a realizării circuitelor electronice de înaltă performanță, de înaltă stabilitate.Conceptul de bază al feedback-ului negativ este de a adăuga un rezistor între ieșire și intrarea de inversare, creând un sistem de control cu ​​buclă închisă.

Amperi OP pot oferi câștiguri extrem de mari cu buclă deschisă, fără feedback negativ, dar astfel de câștiguri mari sunt adesea însoțite de dificultăți de control și de stabilitate slabă.

Prin introducerea unui rezistor de feedback între ieșire și intrarea de inversare, o porțiune din semnalul de ieșire al amplificatorului este „feedback” din nou la intrare.Această metodă „răspândește” în mod eficient o parte din câștig, controlând astfel câștigul general al amplificatorului.

Selectarea rezistenței de feedback: Valoarea rezistenței de feedback afectează în mod direct câștigul cu buclă închisă.Alegerea valorii adecvate a rezistenței este esențială pentru obținerea câștigului și performanței dorite.

Relația dintre câștigul cu buclă închisă și lățimea de bandă: În timpul proiectării trebuie să se ia în considerare compensarea dintre câștig și lățimea de bandă.Creșterea câștigului cu buclă închisă duce de obicei la o reducere a lățimii de bandă.

Stabilitatea și distorsiunea: Feedback -ul negativ adecvat poate îmbunătăți semnificativ stabilitatea circuitului și poate reduce distorsionarea semnalului.

Calculul precis al rețelei de feedback: Calculând cu exactitate parametrii rezistențelor de feedback și alte componente ale circuitului conex, performanța amplificatorului, cum ar fi liniaritatea, nivelul de zgomot și răspunsul la frecvență pot fi optimizate.

Utilizați componente electronice de înaltă calitate: Alegerea rezistențelor de înaltă precizie, cu zgomot redus și alte componente poate îmbunătăți performanța generală a circuitului.

Feedback-ul negativ permite o stabilitate mai mare și un control mai bun prin sacrificarea unei unele dintre câștigurile cu buclă deschisă.

De asemenea, ajută la reducerea fluctuațiilor de performanță a circuitului cauzate de factori externi, cum ar fi modificările de temperatură și instabilitatea alimentării.

Feedback -ul negativ este o tehnologie cheie în proiectarea amplificatorului operațional.Realizează stabilitate și controlabilitate câștigătoare printr-un control fin cu buclă închisă, ceea ce este crucial pentru îmbunătățirea performanței generale și a fiabilității circuitelor electronice.Prin obținerea unei înțelegeri mai profunde a principiilor și aplicațiilor de lucru ale feedback -ului negativ, proiectanții de circuite electronice pot proiecta sisteme de circuit mai precise și stabile.

În topologia amplificatorului de inversare, miezul circuitului este amplificatorul operațional, a cărui intrare de inversare primește semnalul de feedback negativ de la ieșire prin rezistența RF.Caracteristica acestei topologii este că, atunci când tensiunea de ieșire crește, tensiunea la terminalul de intrare de inversare scade, reducând astfel creșterea tensiunii de ieșire și formând feedback negativ.

Într-o lume ideală, presupunem că nu există nicio diferență de tensiune între terminalele de intrare ale OP-AMP, adică terminalele inversate și care nu inversează vor fi la aceeași tensiune.Această stare se numește „scurtcircuit virtual”.

Deoarece terminalul de intrare care nu este inversare este conectat direct la sol (tensiunea este 0V), terminalul de intrare de inversare trebuie, de asemenea, păstrat la 0V pentru a satisface condiția de scurtcircuit virtual.

Printre ele, (0 - VIN)/R1 reprezintă curentul de la terminalul de intrare la terminalul de inversare, iar (0 - Vout)/RF reprezintă curentul de la terminalul de ieșire la terminalul de inversare.

Acest lucru arată că amploarea câștigului este determinată de raportul dintre RF și R1, iar datorită semnului negativ, semnalul de ieșire este în fază (180 de grade în fază) cu semnalul de intrare.

Impedanța de intrare este definită în mare parte de rezistența de intrare R1 în amplificatorul de inversare.Aceasta necesită o examinare atentă a impedanței de ieșire a sursei de semnal de intrare pentru o potrivire eficientă a impedanței.

Răspunsul la frecvență, un aspect vital, întâlnește limitări datorate constrângerilor inerente ale lățimii de bandă ale AMP -ului OP.Acest lucru duce la un act de echilibrare nuanțat între câștig și lățimea de bandă, care trebuie optimizat meticulos pentru a se potrivi aplicației specifice la îndemână.

Zgomot și stabilitate, influențează semnificativ performanța circuitului.Profilul de zgomot al circuitului, modelat de rezistențe și amperi OP, poate fi o sursă de îngrijorare.Cu toate acestea, aceasta nu este o provocare insurmontabilă.Alegând componente cu zgomot redus și utilizând un aspect atent al circuitului, aceste probleme pot fi în mod substanțial atenuate.

Pentru topologia amplificatorului care nu este inversare, principiul de bază este conectarea semnalului de intrare la intrarea care nu este de inversare a amplificatorului operațional și, în același timpun control cu ​​buclă închisă.Într-o stare ideală, se presupune că tensiunile de la terminalul de intrare neinversator și terminalul de intrare de inversare (intrare de inversare) a amplificatorului operațional sunt egale, adică sunt tensiune zero în stare de semnalizare.În acest caz, tensiunea la intrarea care nu este de inversare este egală cu tensiunea semnalului de intrare (VIN), deoarece este conectată direct la semnalul de intrare.

Aplicând legea actuală a lui Kirchhoff (KCL) pe terminalul de inversare, ecuația nodului poate fi stabilită.Această ecuație ține cont de suma curenților care curg în terminalul de inversare, care trebuie să fie zero (care poate fi ignorat având în vedere curentul de intrare extrem de mic al OP-AMP).

Aici, (Vin - Vout)/RF este curentul care curge prin rezistența de feedback către terminalul de inversare, iar (Vin - 0)/R1 este curentul care curge prin rezistența de intrare la terminalul de inversare.

Această formulă arată că câștigul unui amplificator care nu inversează este determinat de raportul dintre rezistența de feedback și rezistența de intrare și că câștigul este de cel puțin 1 (adică când RF = 0).

Potrivirea impedanței: Pentru a îmbunătăți stabilitatea circuitului și a reduce distorsiunea semnalului, ar trebui luată în considerare potrivirea impedanței de ieșire a sursei de semnal de intrare și a impedanței de intrare a amplificatorului.

Răspuns la frecvență: Datorită limitărilor de lățime de bandă ale OP-AMP, răspunsul la frecvență al unui amplificator care nu inversează poate scădea pe măsură ce câștigul crește.Proiectarea ar trebui să ia în considerare selectarea modelului AMP OP corespunzător și reglarea parametrilor circuitului pentru a îndeplini cerințele aplicației.

Zgomot și stabilitate: Zgomotul de rezistență și zgomotul intern op-ammpt afectează ambele performanțe ale amplificatorului care nu inversează.Rezistențele cu zgomot redus și amperiile OP ar trebui să fie selectate în timpul proiectării, iar strategiile de rutare și de împământare corespunzătoare ar trebui utilizate pentru a îmbunătăți stabilitatea generală și respingerea zgomotului a circuitului.

Prin adâncirea în profunzime în nuanțele feedback-ului negativ, inversarea amplificatorului și topologii de amplificator care nu se inversează, obținem o apreciere mai bogată a rolului lor pivot pe tărâmul proiectării moderne a circuitului electronic.Să ne îndreptăm mai întâi atenția asupra beneficiilor feedback -ului negativ.Este un schimbător de jocuri: feedback-ul negativ crește fundamental atât stabilitatea, cât și precizia în circuite prin diminuarea câștigului.Luați în considerare, de exemplu, un amplificator operațional.Aici, feedback -ul negativ este un instrument puternic, reducând dramatic impedanța de ieșire, în timp ce crește simultan impedanța de intrare.Această acțiune dublă reglează caracteristicile de răspuns ale circuitului.Această îmbunătățire este dublă: nu numai că ridică performanța circuitului, dar, de asemenea, atenuează în mod remarcabil efectele fluctuațiilor de temperatură și îmbătrânirea dispozitivului asupra eficienței circuitului.

Acum, haideți să navigăm în complexitatea topologiilor de amplificare inversă și care nu inversează.Amplificatoarele de inversare, cunoscute pentru inversarea fazei lor de 180 de grade între semnalele de intrare și ieșire, sunt integrale pentru sistemele de sunet și procesarea semnalului.Luați amplificatoare audio ca exemplu;Amplificatoarele de inversare sunt esențiale în furnizarea unui semnal de ieșire curat, fără distorsionare, ridicând astfel calitatea audio.Pe de altă parte, amplificatoarele care nu se inversează joacă un rol crucial în achiziția de date și în interfețele senzorului, datorită intrării și ieșirii aliniate în fază.Aceștia excelează în trunchierea căilor de semnal și reducerea interferenței zgomotului, care, la rândul lor, amplifică raportul semnal-zgomot al sistemului.

În esență, această cunoaștere fundamentală a proiectării circuitelor electronice nu abordează doar înțelegerea noastră despre principiile circuitelor;Acesta stabilește o platformă robustă pentru crearea de sisteme electronice eficiente, cu zgomot redus și adaptabile.O înțelegere minuțioasă a acestor concepte echipează proiectanții electronici cu o pânză vastă pentru inovație, stimulând progresele continue în tehnologia electronică.