Operačné zosilňovače: Inverting verzus neinvertujúce topológie

Prevádzkový zosilňovač je vo svojom jadre vysokovýkonným napätím zosilňovača, ktorý je neoddeliteľnou súčasťou nespočetných elektronických systémov.Toto zariadenie sa otáča na filozofii dizajnu, ktorá využíva induktory, kondenzátory a rezistory.Tieto komponenty sa prelínajú v tanci sofistikovanosti a organizujú zisk napätia prostredníctvom komplexného mechanizmu spätnej väzby.OP-AMP sa zvyčajne destiluje do troch základných terminálov: invertovací vstup, neinvertujúci vstup a výstup.Zložitý tanec týchto terminálov diktuje výkon a rozsah zosilňovača.

Katalóg

V idealizovanom scenári je OP zosilňovač paragónom dokonalosti, ktorý sa môže pochváliť atribútmi, ako je nekonečný odpor pri oboch vstupoch - svedectvo o prechode prúdu do terminálov.Zaisťuje rovnomerné napätie medzi vstupmi, odpor s nulovým výstupom, neobmedzený zisk s otvorenou slučkou, nekonečnú šírku pásma a zanedbateľný posun.Predtým, ako sa však ponoríme do oblasti operačných zosilňovačov, je veľmi potrebné porozumieť povahe negatívnej spätnej väzby.Tento koncept nie je iba stĺpom v dizajne obvodu;Je to základný kameň pre vysoko výkonné, stabilné elektronické obvody.

Cieľom nášho článku je odhaliť nuansy negatívnej spätnej väzby, jeho úvahy o návrhu a zlepšenie výkonu obvodu prostredníctvom jeho optimalizácie.Ďalej v rade je dôkladná pitva dvoch kľúčových topológií operačného zosilňovača: inverzné a neinvertujúce zosilňovače.Ponoríme sa do ich princípov, výpočtových metód a kľúčových prvkov pri návrhu obvodu.Tento hlboký ponor nám poskytne panoramatický pohľad na to, ako tieto topológie zosilňovača uľahčujú kontrolu presnosti a neochvejnú stabilitu v aplikáciách v reálnom svete.

Pred pochopením operačných zosilňovačov (inverzné a neinvertové topológie) musíme pochopiť kľúčový koncept, negatívnu spätnú väzbu.

Negatívna spätná väzba nie je len technikou navrhovania obvodov, ale aj základným kameňom dosiahnutia vysoko výkonných elektronických obvodov s vysokou stabilitou.Základnou koncepciou negatívnej spätnej väzby je pridať rezistor medzi výstupom a obrátením vstupom, čím sa vytvorí riadiaci systém s uzavretou slučkou.

OP zosilňovače môžu poskytnúť extrémne vysoké zisky s otvorenou slučkou bez negatívnej spätnej väzby, ale také vysoké zisky sú často sprevádzané kontrolnými ťažkosťami a zlá stabilita.

Zavedením odporu spätnej väzby medzi výstupom a inverzným vstupom je časť výstupného signálu zosilňovača „spätná väzba“ späť k vstupu.Táto metóda efektívne „šíri“ časť zisku, čím riadi celkový zisk zosilňovača.

Výber spätnej väzby: Hodnota odporu spätnej väzby priamo ovplyvňuje zisk uzavretej slučky.Výber vhodnej hodnoty odporu je kľúčom k dosiahnutiu požadovaného zisku a výkonu.

Vzťah medzi ziskom a šírkou pásma s uzavretou slučkou: Počas dizajnu je potrebné zvážiť kompromis medzi ziskom a šírkou pásma.Zvýšenie zisku uzavretej slučky zvyčajne vedie k zníženiu šírky pásma.

Stabilita a skreslenie: Primeraná negatívna spätná väzba môže významne zlepšiť stabilitu obvodu a znížiť skreslenie signálu.

Presný výpočet siete spätnej väzby: Presným výpočtom parametrov odporov spätnej väzby a iných súvisiacich komponentov obvodu je možné optimalizovať výkon zosilňovača, ako je linearita, hladina hluku a frekvenčná odozva.

Používajte vysoko kvalitné elektronické komponenty: Výber vysoko presných odporov s nízkym obsahom bezlahy a ďalších komponentov môže zlepšiť celkový výkon obvodu.

Negatívna spätná väzba umožňuje väčšiu stabilitu a lepšiu kontrolu obetovaním určitého zisku s otvorenou slučkou.

Pomáha tiež znižovať kolísanie výkonnosti obvodu spôsobené vonkajšími faktormi, ako sú zmeny teploty a nestabilita napájania.

Negatívna spätná väzba je kľúčová technológia v dizajne prevádzkového zosilňovača.Dosahuje stabilitu a ovládateľnosť zisku prostredníctvom jemnej kontroly s uzavretou slučkou, čo je rozhodujúce pre zlepšenie celkového výkonu a spoľahlivosti elektronických obvodov.Získaním hlbšieho pochopenia pracovných princípov a aplikácií negatívnej spätnej väzby môžu návrhári elektronických obvodov navrhnúť presnejšie a stabilnejšie systémy obvodov.

V topológii invertovania zosilňovača je jadrom obvodu operačný zosilňovač, ktorého inverzný vstup prijíma signál zápornej spätnej väzby z výstupu cez RF odporu.Charakteristikou tejto topológie je, že keď sa zvyšuje výstupné napätie, napätie na vstupnom termináli sa zníži, čím sa znižuje zvýšenie výstupného napätia a vytvára negatívnu spätnú väzbu.

V ideálnom svete predpokladáme, že medzi vstupnými terminálmi OP-AMP neexistuje žiadny rozdiel v napätí, to znamená, že invertujúce a neinvertačné terminály budú na rovnakom napätí.Tento stav sa nazýva „virtuálny skrat“.

Pretože vstupný terminál, ktorý nie je invertovaný, je priamo pripojený k zemi (napätie je 0V), vstupný terminál prevrátenia sa musí uchovávať aj na 0 V, aby sa uspokojil podmienka virtuálneho skratu.

Medzi nimi (0 - Vin)/R1 predstavuje prúd zo vstupného terminálu do invertového terminálu a (0 - vout)/rf predstavuje prúd z výstupného terminálu do obrábacieho terminálu.

To ukazuje, že veľkosť zisku je určená pomerom RF a R1 a v dôsledku záporného znaku je výstupný signál mimo fázy (180 stupňov mimo fázy) so vstupným signálom.

Vstupná impedancia je definovaná prevažne vstupným odporom R1 v inverznom zosilňovači.Vyžaduje si to dôkladné zváženie výstupnej impedancie zdroja vstupného signálu pre účinnú zodpovednosť impedancie.

Frekvenčná reakcia, zásadný aspekt, sa stretávajú s obmedzeniami v dôsledku inherentných obmedzení šírky pásma OP AMP.To vedie k nuantu vyrovnávaciemu činu medzi ziskom a šírkou pásma, ktorý musí byť starostlivo optimalizovaný tak, aby vyhovoval konkrétnej aplikácii, ktorá je k dispozícii.

Hluk a stabilita významne ovplyvňujú výkon obvodu.Šumový profil obvodu, tvarovaný odpormi a zosilňovačmi OP, môže byť zdrojom obáv.Toto však nie je neprekonateľná výzva.Výberom komponentov s nízkym šumom a využitím premysleného usporiadania obvodu sa tieto problémy môžu podstatne zmierniť.

Pre topológiu neinvertujúceho zosilňovača je základným princípom pripojenie vstupného signálu k neinvertovaniu vstupu operačného zosilňovača a súčasne použite odpor spätnej väzby (RF) na pripojenie k neinvertovému terminálu na vytvoreniekontrola uzavretej slučky.V ideálnom stave sa predpokladá, že napätia na vstupnom termináli neinvertujúceho a invertovacieho vstupného terminálu (inverzný vstup) operačného zosilňovača sú rovnaké, to znamená, že ide o nulové napätie v stave bez signálu.V tomto prípade sa napätie pri neinvertovom vstupe rovná vstupnému signálu (VIN), pretože je priamo pripojené k vstupnému signálu.

Pri použití Kirchhoffovho zákona (KCL) na obrábací terminál je možné stanoviť rovnicu uzlov.Táto rovnica zohľadňuje súčet prúdov, ktoré tečú do obrábajúceho sa terminálu, ktorý musí byť nula (čo sa dá ignorovať vzhľadom na extrémne malý vstupný prúd OP-AMP).

Tu (vin - vout)/rf je prúd pretekajúci rezistorom spätnej väzby k invertujúcemu terminálu a (vin - 0)/r1 je prúd pretekajúci vstupným odporom k invertovej termináli.

Tento vzorec ukazuje, že zisk neinvertujúceho zosilňovača je určený pomerom spätnoväzbového odporu k vstupnému odporu a že zisk je najmenej 1 (t. J. Keď RF = 0).

Zodpovedanie impedancie: Aby sa zlepšila stabilita obvodu a znížila skreslenie signálu, mala by sa zvážiť zodpovednosť výstupnej impedancie zdroja vstupného signálu a vstupnú impedanciu zosilňovača.

Frekvenčná odozva: V dôsledku obmedzení šírky pásma OP-AMP sa môže frekvenčná odozva neinvertujúceho zosilňovača znížiť so zvýšením zisku.Návrh by mal zvážiť výber príslušného modelu OP AMP a upraviť parametre obvodu, aby sa splnili požiadavky na aplikáciu.

Hluk a stabilita: hluk rezistora a vnútorný šum OP-AMP ovplyvňujú výkon zosilňovača neinvertovania.Počas návrhu by sa mali vyberať odpory a zosilňovače s nízkym hlukom a na zlepšenie celkovej stability a odmietnutia hluku obvodu by sa mali použiť správne stratégie smerovania a uzemnenia.

Hlboko sa ponoríme do nuancií negatívnej spätnej väzby, prevrátenia zosilňovača a topológií neinvertovania zosilňovačov, získavame bohatšie ocenenie ich kľúčovej úlohy v oblasti moderného dizajnu elektronických obvodov.Najprv obráťme našu pozornosť na výhody negatívnej spätnej väzby.Je to menič hry: negatívna spätná väzba zásadne posilňuje stabilitu a presnosť v obvodoch znížením zisku.Zvážte napríklad prevádzkový zosilňovač.Negatívna spätná väzba je tu silným nástrojom, ktorý dramaticky znižuje výstupnú impedanciu a súčasne zvyšuje vstupnú impedanciu.Táto duálna akcia jemne doladí charakteristiky odozvy obvodu.Toto vylepšenie je dvojaké: nielen zvyšuje výkon obvodu, ale tiež pozoruhodne zmierňuje účinky kolísania teploty a starnutia zariadenia na účinnosť obvodu.

Teraz prejdime zložitosti topológií invertu a invertujúceho zosilňovača.Inverting zosilňovače, známe pre svoju 180-stupňovú fázovú inverziu medzi vstupnými a výstupnými signálmi, sú neoddeliteľnou súčasťou zvukových systémov a spracovania signálu.Ako príklad vezmite zvukové zosilňovače;Inverting zosilňovače sú nápomocné pri poskytovaní nedotknutého výstupného signálu bez skreslenia, čím zvyšuje kvalitu zvuku.Na druhej strane, neinvertujúce zosilňovače hrajú rozhodujúcu úlohu pri získavaní údajov a rozhraniach senzorov vďaka svojim fázovým vstupom a výstupom.Vyniká v skrátených signálnych cestách a obmedzení rušenia šumu, ktoré zasa zosilňuje pomer signálu k šumu.

Táto základná znalosť dizajnu elektronických obvodov v podstate iba prehlbuje naše chápanie princípov obvodov;Vytvára robustnú platformu na vytváranie efektívnych, nízko šumov a prispôsobiteľných elektronických systémov.Dôkladné pochopenie týchto konceptov vybavuje elektronických dizajnérov rozsiahle plátno pre inovácie, ktoré podriadi pokračujúce pokroky v elektronických technológiách.