Оперативни усилватели: Инвертиране срещу неинвертиращи топологии

Оперативен усилвател в основата си е високоефективен усилвател на напрежението, неразделна част от безброй електронни системи.Това устройство се насочва към дизайнерска философия, която използва индуктори, кондензатори и резистори.Тези компоненти се преплитат в танц на изтънченост, оркестрираща печалба на напрежението чрез сложен механизъм за обратна връзка.Обикновено OP-AMP се дестилира в три основни терминала: инвертиращият вход, неинвертиращия вход и изхода.Сложният танц на тези терминали диктува производителността и обхвата на приложението на усилвателя.

Каталог

В идеализиран сценарий, усилвателят на OP е парагон на съвършенството, като се похвали с атрибути като безкрайна съпротива и при двата входа - свидетелство за преминаване на ток в терминалите.Той осигурява равномерно напрежение в входовете, нулево съпротивление на изхода, безгранично усилване на отворен контур, безкрайна честотна лента и незначително компенсиране.Въпреки това, преди да се задълбочим в сферата на оперативните усилватели, е много необходимо да се разбере естеството на отрицателната обратна връзка.Тази концепция не е просто стълб в дизайна на веригата;Това е крайъгълният камък за високоефективни, стабилни електронни вериги.

Нашата статия има за цел да разгадае нюансите на отрицателната обратна връзка, нейните дизайнерски съображения и подобряването на ефективността на веригата чрез нейната оптимизация.Следващата линия е щателна дисекция на два основни оперативни усилватели на усилвателя: инвертиращи и неинвертиращи усилватели.Ние се задълбочаваме в техните принципи, методи за изчисляване и основните елементи в дизайна на веригата.Това дълбоко гмуркане ще ни позволи панорамна гледка как тези топологии на усилвателя улесняват прецизния контрол и непоколебимата стабилност в реалните приложения.

Преди да разберем оперативните усилватели (инвертиращи и не обръщащи топологии), трябва да разберем ключова концепция, отрицателна обратна връзка.

Отрицателната обратна връзка е не само техника на проектиране на веригата, но и крайъгълен камък на постигане на високоефективни електронни вериги с висока стабилност.Основната концепция за отрицателна обратна връзка е да се добави резистор между изхода и инвертиращия вход, създавайки система за управление на затворен контур.

OP AMP могат да осигурят изключително високи печалби с отворен контур без отрицателна обратна връзка, но такива високи печалби често са придружени от затруднения с контрола и лоша стабилност.

Чрез въвеждане на резистор за обратна връзка между изхода и инвертиращия вход, част от изходния сигнал на усилвателя е "обратна връзка" обратно към входа.Този метод ефективно „разпространява“ част от усилването, като по този начин контролира общата печалба на усилвателя.

Избор на резистор за обратна връзка: Стойността на резистора за обратна връзка директно влияе върху усилването на затворен контур.Изборът на подходяща стойност на резистора е от ключово значение за постигането на желаната печалба и производителност.

Връзката между печалбата със затворен контур и честотната лента: Компромисът между печалбата и честотната лента трябва да се вземе предвид по време на дизайна.Увеличаването на усилването на затворен контур обикновено води до намаляване на честотната лента.

Стабилност и изкривяване: Подходящата отрицателна обратна връзка може значително да подобри стабилността на веригата и да намали изкривяването на сигнала.

Точно изчисляване на мрежата за обратна връзка: Чрез точно изчисляване на параметрите на резисторите за обратна връзка и други свързани компоненти на веригата, ефективността на усилвателя като линейност, нивото на шума и честотната реакция може да бъде оптимизирана.

Използвайте висококачествени електронни компоненти: Изборът на резистори с висока точност, ниско ниво и други компоненти може да подобри общата работа на веригата.

Отрицателната обратна връзка позволява по-голяма стабилност и по-добър контрол чрез жертва на част от печалбата с отворен контур.

Той също така помага за намаляване на колебанията на производителността на веригата, причинени от външни фактори, като температурни промени и нестабилност на захранването.

Отрицателната обратна връзка е ключова технология в дизайна на оперативния усилвател.Той постига стабилност на усилването и контролируемостта чрез фино управление на затворен контур, което е от решаващо значение за подобряване на общата производителност и надеждността на електронните схеми.Чрез по -дълбоко разбиране на принципите на работа и приложенията на отрицателната обратна връзка, дизайнерите на електронни вериги могат да проектират по -точни и стабилни системи за вериги.

В инвертиращата топология на усилвателя ядрото на веригата е оперативният усилвател, чийто инвертиращ вход получава отрицателния сигнал за обратна връзка от изхода през резистора RF.Характеристиката на тази топология е, че когато изходното напрежение се увеличи, напрежението в обратимия входен терминал намалява, като по този начин намалява увеличаването на изходното напрежение и образува отрицателна обратна връзка.

В идеален свят приемаме, че няма разлика в напрежението между входните терминали на OP-AMP, тоест инвертиращите и неинвертиращи терминали ще бъдат на едно и също напрежение.Това състояние се нарича "виртуална късо съединение".

Тъй като входният терминал, който не е обърнат, е директно свързан към земята (напрежението е 0V), инвертиращият входен терминал също трябва да се съхранява на 0V, за да се удовлетвори състоянието на виртуалното късо съединение.

Сред тях (0 - VIN)/R1 представлява тока от входния терминал до обрасващия терминал, а (0 - Vout)/RF представлява тока от изходния терминал до обратимия терминал.

Това показва, че величината на усилването се определя от съотношението RF и R1 и поради отрицателния знак, изходният сигнал е извън фаза (180 градуса извън фаза) с входния сигнал.

Входният импеданс се определя до голяма степен от входния резистор R1 в инвертиращия усилвател.Това изисква внимателно разглеждане на изходния импеданс на източника на входния сигнал за ефективно съвпадение на импеданса.

Честотната реакция, жизненоважен аспект, среща ограничения поради присъщите ограничения на честотната лента на OP AMP.Това води до нюансиран балансиращ акт между печалба и честотна лента, който трябва да бъде щателно оптимизиран, за да отговаря на конкретното приложение.

Шум и стабилност, влияят значително на производителността на веригата.Профилът на шума на веригата, оформен от резисторите и усилвателя, може да бъде източник на безпокойство.И все пак, това не е непреодолимо предизвикателство.Избирайки компоненти с ниско ниво и използване на обмислено оформление на веригата, тези проблеми могат да бъдат значително смекчени.

За топологията на усилвателя, който не се обръща, основният принцип е да се свърже входният сигнал към неинвертиращия вход на оперативния усилвател и в същото време използвайте резистор за обратна връзка (RF), за да се свържете с терминала, който не се обръща, за да се формираУправление със затворен контур.В идеално състояние се приема, че напреженията на входния терминал, който не е обърнат, и инвертиращият входен терминал (инвертиращ вход) на оперативния усилвател са равни, тоест те са нулево напрежение в състояние без сигнал.В този случай напрежението в входа, който не се обръща, е равно на напрежението на входния сигнал (VIN), тъй като е директно свързано към входния сигнал.

Прилагайки настоящия закон на Kirchhoff (KCL) към обърнатия терминал, може да се установи уравнението на възела.Това уравнение взема предвид сумата от токовете, които се вливат в обърнатия терминал, който трябва да е нула (което може да се игнорира, като се има предвид изключително малкият входен ток на OP-AMP).

Тук, (VIN - VOUT)/RF е токът, който преминава през резистора за обратна връзка към ображдащия се терминал, а (VIN - 0)/R1 е токът, преминаващ през входния резистор към обратимия терминал.

Тази формула показва, че усилването на неинвертиращ усилвател се определя от съотношението на резистора за обратна връзка към входния резистор и че усилването е най-малко 1 (т.е. когато rf = 0).

Съпоставяне на импеданса: За да се подобри стабилността на веригата и да се намали изкривяването на сигнала, трябва да се вземе предвид съвпадението на изходния импеданс на източника на входния сигнал и входния импеданс на усилвателя.

Честотна реакция: Поради ограниченията на честотната лента на OP-AMP, честотният отговор на неинвертиращия усилвател може да намалее с увеличаване на усилването.Дизайнът трябва да обмисли избора на подходящия модел на OP AMP и коригиране на параметрите на веригата, за да отговаря на изискванията за приложение.

Шум и стабилност: Резисторният шум и вътрешният шум на операцията влияят върху работата на усилвателя, който не се обръща.По време на дизайна трябва да се избират резистори с ниско ниво и OP усилватели, а правилните стратегии за маршрутизиране и заземяване трябва да се използват за подобряване на общата стабилност и отхвърляне на шума на веригата.

Като се задълбочаваме дълбоко във нюансите на отрицателната обратна връзка, инвертиращия усилвател и неинвертиращите усилватели, ние получаваме по-богата оценка на тяхната основна роля в сферата на съвременния дизайн на електронните вериги.Нека първо насочим вниманието си към предимствата на отрицателната обратна връзка.Това е смяна на играта: отрицателната обратна връзка по същество засилва както стабилността, така и точността в веригите чрез намаляване на печалбата.Помислете например за оперативен усилвател.Тук отрицателната обратна връзка е мощен инструмент, драстично намалявайки изходния импеданс, като същевременно засилва входния импеданс.Това двойно действие прецизира характеристиките на реакцията на веригата.Това подобрение е двойно: тя не само повишава работата на веригата, но и забележително смекчава ефектите на температурните колебания и стареенето на устройството върху ефективността на веригата.

Сега, нека се ориентираме в тънкостите на инвертиращи и не преобразителни топологии на усилвател.Инвертиращите усилватели, известни със своята 180-градусова фазова инверсия между входни и изходни сигнали, са неразделна част от озвучителните системи и обработката на сигнали.Вземете за пример аудио усилватели;Инвертиращите усилватели са от съществено значение за предоставянето на девствен, без изкривен изходен сигнал, като по този начин повишават качеството на аудиото.От друга страна, усилвателите, които не се обръщат, играят решаваща роля в събирането на данни и сензорните интерфейси, благодарение на техния фазово подравнен вход и изход.Те се отличават в пресезаните сигнални пътища и ограничаване на шумовите смущения, което от своя страна усилва съотношението сигнал / шум.

По същество това основополагащо познание за дизайна на електронните вериги не просто задълбочава нашето разбиране на принципите на схемата;Той създава стабилна платформа за създаване на ефективни, ниски шумни и адаптивни електронни системи.Дълбокото разбиране на тези концепции снабдява електронните дизайнери с огромно платно за иновации, стимулирайки текущия напредък в електронните технологии.