принцип действия, схемы и т.д.

Инвертирующий усилитель — модифицированный инвертирующий повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления, пока коэффициент усиления находится в пределах конструктивных характеристик операционного усилителя.

Операционные усилители не играли бы важной роли в контрольно-измерительных устройствах, если бы они применялись только в качестве буферов. У операционных усилителей имеется много других областей применения. Простые инвертированные повторители напряжения могут быть видоизменены таким образом, чтобы коэффициент усиления в них составлял более единицы.

Коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется с помощью величины резистора цепи обратной связи. Инвертирующий повторитель напряжения, имеет входной резистор (Rin) и резистор цепи обратной связи (Rfb).

Схема инвертирующего повторителя напряжения

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Входной резистор и резистор цепи обратной связи являются теми элементами схемы, которые делают усиление возможным.

Без Rin входное напряжение было бы накоротко соединено с виртуальной землей, так что потенциал на входе всегда был бы 0 В. Без Rfb выходное напряжение было бы накоротко соединено с мнимой землей, так что потенциал на выходе всегда был бы 0 В. Следовательно, при отсутствии в схеме любого из этих двух элементов коэффициент усиления равнялся бы нулю. Использование в схеме этих двух резисторов позволяет получить входное и выходное напряжения, а также усиление.

Если величина сопротивления Rfb равна величине сопротивления Rin, инвертированный повторитель напряжения имеет коэффициент усиления 1. Если Rfb имеет другую величину сопротивления, то коэффициент усиления изменится. Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего повторителя напряжения изменяется посредством изменения величины сопротивления Rfb. Инвертирующий повторитель напряжения, в котором коэффициент усиления больше 1, называется инвертирующим усилителем. Рассмотренные до сих пор усилительные схемы принадлежат к одному и тому же типу инвертирующих усилителей.

Однако, имеются и другие распространенные типы инвертирующих усилителей. Например, в усилителе с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи в цепи обратной связи имеются три резистора: Rfb1, R fb2, Rfb3. Резисторы подключаются к схеме посредством переключательного устройства S1. Переключательное устройство может быть ручного типа или электронного, управляемого с помощью компьютера.

Схема усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Переключатель и резисторы цепи обратной связи в усилителе с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи позволяют изменять величину сопротивления в цепи обратной связи, изменяя таким образом коэффициент усиления. В цепи обратной связи может быть использовано любое число резисторов, в зависимости от требуемого числа фиксированных значений коэффициента усиления. Как отмечалось выше, коэффициент усиления инвертирующего усилителя изменяется если при неизменном значении сопротивления входного резистора изменять сопротивление резистора цепи обратной связи.

Приводимый ниже пример даёт объяснение того, каким образом могут вычисляться коэффициент усиления и выходное напряжение усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи. Предположим, что входное напряжение в цепи, составляет -0,01 В, входное сопротивление равно 100 Ом, а сопротивления резисторов цепи обратной связи равны Rfb1= 200 Ом, Rfb2 = 500 Ом, Rfb3 = 1000 Ом.

Пример усилителя с переключаемым сопротивлением цепи обратной связи

Поскольку коэффициент усиления и выходное напряжение будут изменяться в зависимости от положения переключателя, коэффициент усиления и выходное напряжение должны вычисляться отдельно для каждого положения переключателя.

Дифференциальный усилитель операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Измерительный усилитель измененный дифференциальный регулятор, на входах которого установлены повторители напряжения

Неинвертирующий операционный усилитель может быть модифицирован таким образом, чтобы получить почти любой коэффициент усиления

Операционный усилитель усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, вплоть до миллионов

Суммирующий усилитель выходное напряжение равно сумме его входных напряжений

Инвертирующий усилитель на ОУ.

Принцип работы

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В.

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

I_R1 = U_R1/R1 = (4В-0В)/1к = 4мА.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

U_R2 = I_R2R2 = 4мА *2к = 8В.

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.
Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

Схема, конфигурация, коэффициент усиления и практические примеры

Операционный усилитель (операционный усилитель)  является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой 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 различных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления и т. д. Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. Существует множество операционных усилителей, доступных в различных корпусах интегральных схем (ИС), некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 — наиболее часто используемые микросхемы операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу «Схемы операционных усилителей».

Операционный усилитель имеет два дифференциальных входа и выход, а также контакты питания. Эти два контакта дифференциального входа: инвертирующий контакт или отрицательный и неинвертирующий контакт или положительный. Операционный усилитель усиливает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и обеспечивает усиленный выходной сигнал через свой Vout или выходной контакт.

В зависимости от типа входа операционный усилитель может быть классифицирован как инвертирующий усилитель или неинвертирующий усилитель. В предыдущем руководстве по неинвертирующему операционному усилителю мы видели, как использовать усилитель в неинвертирующей конфигурации. В этом уроке мы изучим как использовать операционный усилитель в инвертирующей конфигурации .

 

Конфигурация инвертирующего операционного усилителя

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

В неинвертирующей конфигурации мы обеспечили положительную обратную связь по усилителю, но для инвертирующей конфигурации мы создали отрицательную обратную связь по схеме операционного усилителя.

Давайте посмотрим на схему подключения для конфигурации инвертирующего операционного усилителя. . Резистор R2 является резистором входного сигнала, а резистор R1 является резистором 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. Итак, на неинвертирующем входе создается точка суммирования Виртуальной Земли, которая находится в том же потенциале, что и земля или Земля. Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

Таким образом, в случае инвертирующего операционного усилителя на входную клемму не поступает ток, а входное напряжение равно напряжению обратной связи на двух резисторах, поскольку они оба имеют один общий виртуальный источник земли. Из-за виртуальной земли входное сопротивление операционного усилителя равно входному резистору операционного усилителя, который равен R2. Этот резистор R2 связан с коэффициентом усиления замкнутого контура, и коэффициент усиления может быть установлен отношением внешних резисторов, используемых в качестве обратной связи.

Поскольку ток на входе отсутствует, а дифференциальное входное напряжение равно нулю, мы можем рассчитать коэффициент усиления замкнутого контура операционного усилителя. Узнайте больше о конструкции операционного усилителя и его работе, перейдя по ссылке.

 

Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя

 

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 вычислить ток, протекающий через резистор, то-

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

 

Поскольку Dout является серединой делителя, мы можем заключить, что из-за виртуальной земли или той же точки суммирования узла напряжение обратной связи равно 0, Dвых = 0. Итак,

 

Итак, формула инвертирующего усилителя

для коэффициента усиления замкнутого контура будет

  Коэффициент усиления (Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)  

 

Таким образом, из этой формулы мы получаем любую из четырех переменных, когда доступны три другие переменные. Калькулятор усиления операционного усилителя можно использовать для расчета коэффициента усиления инвертирующего операционного усилителя.

Поскольку мы видим знак минус в формуле, выход будет на 180 градусов не по фазе в отличие от фазы входного сигнала.

 

Практический пример инвертирующего усилителя

 

На изображении выше показана конфигурация операционного усилителя, где два резистора обратной связи обеспечивают необходимую обратную связь в операционном усилителе. Резистор R2 является входным резистором, а R1 является резистором обратной связи. Входной резистор R2 имеет сопротивление 1 кОм, а резистор обратной связи R1 имеет сопротивление 10 кОм. Рассчитаем инвертирующий коэффициент усиления операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается на отрицательной клемме, а положительная клемма соединена с землей.

Формула инвертирования коэффициента усиления схемы ОУ-

  Коэффициент усиления (Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)   

 

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

  Таким образом, усиление (Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin) 
  Усиление (Av) = (Vout / Vin) = -(10k / 1k)  

 

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

 

Теперь, если мы увеличим коэффициент усиления операционного усилителя в -20 раз, каково будет значение резистора обратной связи, если входной резистор будет таким же? Итак,

  Коэффициент усиления = -20 и Rin = R2 = 1k. 
  -20 = -(R1/1k) 
  R1 = 20k  

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

Мы можем увеличить коэффициент усиления ОУ, изменив соотношение резисторов , однако не рекомендуется использовать меньшее сопротивление как 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 4,7к до 10к.0004 .

Когда требуется высокий коэффициент усиления и мы должны обеспечить высокое сопротивление на входе, мы должны увеличить номинал резисторов обратной связи.

Но также не рекомендуется использовать резистор очень большого номинала на резисторе Rf. Более высокий резистор обратной связи обеспечивает нестабильный запас по усилению и не может быть подходящим выбором для операций, связанных с ограниченной полосой пропускания. Типичное значение 100 кОм или немного больше, чем используется в резисторе обратной связи .

Также необходимо проверить пропускную способность схемы операционного усилителя для надежной работы при высоком коэффициенте усиления.

 

Суммирующий усилитель или сумматор операционного усилителя

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

 

На изображении выше показан виртуальный смеситель земли или суммирующий усилитель, где инвертированный операционный усилитель смешивает несколько разных сигналов на своем инвертирующем выводе. Вход инвертирующего усилителя практически соответствует потенциалу земли, что обеспечивает превосходное применение, связанное с микшером, в работе, связанной с микшированием звука.

Как мы видим, разные сигналы суммируются на отрицательной клемме с использованием разных входных резисторов. Можно добавить неограниченное количество различных входных сигналов. Коэффициент усиления каждого отдельного сигнального порта определяется соотношением резистора обратной связи R2 и входного резистора конкретного канала.

Также узнайте больше о применении операционных усилителей, ознакомившись с различными схемами на основе операционных усилителей. Эта конфигурация инвертирующего операционного усилителя также используется в различных фильтрах, таких как активный фильтр нижних частот или активный фильтр верхних частот.

Цепь трансимпедансного усилителя

Другое применение

инвертирующего усилителя на операционном усилителе — 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, которые производят слабый ток, а с помощью трансимпедансного усилителя ток может быть преобразован в напряжение.

 

На приведенном выше изображении инвертированный операционный усилитель используется для создания трансимпедансного усилителя

, который преобразует ток, полученный от фотодиода, в напряжение. Усилитель обеспечивает низкое полное сопротивление фотодиода и создает изоляцию от выходного напряжения операционного усилителя.

В приведенной выше схеме используется только один резистор обратной связи. R1 — резистор обратной связи высокого номинала. Мы можем изменить усиление, изменив значение этого резистора R1. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя использует стабильное состояние, когда 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 приводит к большому усилению напряжения без какого-либо выходного напряжения смещения. Ток фотодиода будет преобразован в высокое выходное напряжение.

 

Другие области применения инвертирующего операционного усилителя: —

1. Фазовращатель
2. Интегратор
3. В работах, связанных с балансировкой сигналов
4. Линейный ВЧ-микшер
5. Различные датчики используют инвертирующий операционный усилитель для выхода.

Инвертирующие и неинвертирующие схемы операционных усилителей -…

Опубликовано 27 мая 2022 г.

Возможно, неудивительно, учитывая их название, что операционные усилители очень часто используются в усилительных схемах. Они собраны либо в инвертирующей, либо в неинвертирующей конфигурации, концепция, которую мы сейчас рассмотрим, и степень усиления можно тщательно контролировать.

Основные входы/выходы операционного усилителя

Прежде чем перейти к этим конфигурациям, давайте коснемся важной темы. Если вы просматривали эти руководства, вы заметите, что иногда вход, помеченный «+», иногда называют положительным, а иногда — «неинвертирующим». Тогда вход, помеченный «-», иногда называют отрицательным, а иногда «инвертирующим». На самом деле использование терминов «положительный» и «отрицательный», возможно, неверно и, в лучшем случае, вводит в заблуждение. Однако их намного проще использовать, поэтому они так распространены. Истинная разница между инвертирующим и неинвертирующим входами заключается в том, в какую сторону колеблется выход в зависимости от напряжения на входах. Если на неинвертирующий вход подается более высокое напряжение, чем на инвертирующий вход, то на выходе будет высокий уровень. Если инвертирующий вход выше, чем неинвертирующий вход, то на выходе будет низкий уровень (который может быть отрицательным, в зависимости от конфигурации операционного усилителя). Это будет рассмотрено снова и более подробно в учебнике по компаратору операционных усилителей, но этого достаточно для понимания этого руководства.

Схема инвертирующего операционного усилителя

Поскольку это более распространено, сначала мы рассмотрим инвертирующую схему операционного усилителя. Настройка схемы выглядит следующим образом:

Принципиальная схема схемы инвертирующего операционного усилителя

Вспоминая о золотых правилах операционных усилителей, или две самые важные вещи, которые следует помнить об операционных усилителях, мы видим, что:

1. инвертирующий вход находится на виртуальной земле, так как неинвертирующий вход привязан к земле, и
2. тот же ток через R _i проходит через R _f .

Чтобы помочь запомнить, что означают буквы, R _i — входной резистор, а R _f — резистор обратной связи, поскольку выход управляет входом через R _f . Теперь, когда у нас есть это в виду, давайте решим эту схему, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти уравнение для математического описания производительности этой схемы. Мы можем использовать KCL. Давайте используем инвертирующий вход в качестве нашего узла.

Мы знаем, что ток, втекающий в этот узел, должен быть равен вытекающему току, а на инвертирующий вход ток не течет, поэтому через R 9 поступает только ток.0258 i и через R _f и они равны друг другу. Затем мы можем настроить уравнение как:

или

Теперь мы хотим увидеть, какова связь между нашим выходом и входом, коэффициентом усиления или усиления, который мы назовем «A», где A = V _из /V _в . Преобразовав уравнение, мы можем увидеть следующее:

Таким образом, какое бы напряжение вы ни подавали на вход, выход будет усиливаться на R _f /R _i а затем инвертируется в отрицательное напряжение. Например, если у вас есть резистор обратной связи 10 кОм и входной резистор 2 кОм, входное напряжение 2 В даст выходное напряжение -10 В. И это должно иметь смысл — для того, чтобы ток протекал от положительного входного напряжения к виртуальной земле, а затем от виртуальной земли к выходу, выходное напряжение *должно* быть отрицательным! И наоборот, если на вход подается отрицательное напряжение.

Это чрезвычайно распространенная конфигурация операционных усилителей, так как в большинстве контуров обратной связи используется отрицательная обратная связь, что повышает стабильность и снижает искажения. Это выходит за рамки данного руководства, но Кушал обсуждает это в своих руководствах по системам управления.

Схема неинвертирующего операционного усилителя

Для неинвертирующей схемы не нужно просто менять местами соединения между инвертирующим и неинвертирующим входами. Схема немного другая.

Принципиальная схема схемы неинвертирующего операционного усилителя

Как и ожидалось, сигнал поступает на неинвертирующий вход, но теперь инвертирующий вход находится в середине делителя напряжения. Поскольку выход теперь подключен к инвертирующему входу через этот делитель напряжения, мы знаем, что он будет управлять инвертирующим входом, чтобы он соответствовал неинвертирующему входу. Давайте посмотрим, как в этом случае применяются «золотые правила» операционных усилителей.

1. на инвертирующий вход подается то же напряжение, что и на неинвертирующий вход, и
2. тот же ток через R ₁ проходит через R ₂ .

Еще раз, мы можем математически описать поведение этой схемы, используя KCL. Выбрав инвертирующий входной узел, мы приходим к следующему уравнению:

или

Его можно упростить, умножив обе части на R ₂ и разделив обе части на V _в :

Это разделяется на:

И, наконец, добавление по одному с каждой стороны:

Наше усиление или величина усиления, снова обозначенная как «А», дает нам:

Было несколько больше шагов в этом расчете по сравнению с инвертирующим усилителем, но все же ничего слишком сложного, если вы не пропустите ни одного шага. Но давайте посмотрим и на это. Представьте, что у вас есть тот же вход 2 В, который мы использовали с инвертирующим операционным усилителем, и те же резисторы 10K и 2K для R 9.0258 2 и R ₁ соответственно. В этом случае вы получите коэффициент усиления 6 (10K/2K + 1), поэтому выходное напряжение будет 12 В. Отрицательное входное напряжение также дает отрицательное выходное напряжение.

Опять же, конфигурации с неинвертирующими операционными усилителями не так распространены, но они все же очень полезны, и вы обязательно с ними столкнетесь.

Резюме

Эти две конфигурации хороши не только потому, что они действительно полезны и их можно найти в самых разных приложениях, но и потому, что они помогают нам лучше познакомиться с тем, как работает операционный усилитель. Их использование и выполнение этих расчетов помогают нам лучше интуитивно понять, что произойдет с операционным усилителем в схеме. Я надеюсь, что этот обзор был понятен — если нет, оставьте комментарий ниже, и мы постараемся решить любые вопросы.