Инвертирующий усилитель на ОУ — Практическая электроника

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком «минус». Такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению, а в инвертирующем усилителе — по току.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей. Как говорит на Википедия, «мнимый — это фальшивый, поддельный, ложный».

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком «минус», то есть -Uвых.

В этом случае ток I₂ будет выражаться формулой:

Отсюда находим коэффициент усиления

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

В итоге наша формула сокращается и получаем

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак «минус» в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал — это розовая осциллограмма, а выходной — это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название «инвертирующий усилитель».

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе «от рельса до рельса» или «от шины до шины». Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае — это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения.  В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то  несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае — это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В.  В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно — на рисунке ниже.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.

На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

В этом случае он будет определяться по формуле:

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R_К , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U_см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U_вых ? Оно должно иметь значение половины U_пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U_пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U_пит = 30 В. Рассчитываем U_см :

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Свойства инвертирующего усилителя

• выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
• входное сопротивление такого усилителя равняется сопротивлению R1
• выходное сопротивление очень мало

Принцип работы можете увидеть на видео:

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе: схема, формула

Пример HTML-страницы

Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Примем следующие допущения:

• Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R_вх → ∞, i₊ = i₋).
• Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_вых = 0).
• Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
• В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
• Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
• напряжение смещения нуля равно нулю.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Так как i₋ = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁ = i₂.

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i₁ = uвх/ R₁i₂ = − uвых/ R₂

Учитывая, что i₁ = i₂, получаем uвых= −uвх· R₂ / R₁

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Кu= −R2/R1

Например, если R1= 1кОм,R2=10 кОм, тогда uвых= − 10 ·uвх

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением R₃ (рис. 2.26), которое определяется из выражения R3=R1//R2=R1·R2/ (R1+R2)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что uдиф~ 0, легко заметить, что иходное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R_вых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что R_вых.ос = R_вых / ( 1 + К ·R1/R2) где К — коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

Работа операционного усилителя с обратной связью — операционные усилители

Операционные усилители

Операционные усилители могут работать как в замкнутом, так и в разомкнутом контуре. операция. Режим работы (замкнутый или разомкнутый) определяется тем, или не используется обратная связь. Без обратной связи операционный усилитель имеет работа в открытом цикле. Эта операция без обратной связи практична только тогда, когда операционный усилитель используется в качестве компаратора (схема, которая сравнивает два входные сигналы или сравнивает входной сигнал с некоторым фиксированным уровнем напряжения). В качестве усилителя работа в разомкнутом контуре нецелесообразна, поскольку очень высокая коэффициент усиления операционного усилителя создает плохую стабильность. (Шум и др. нежелательные сигналы настолько усиливаются в режиме без обратной связи, что операционный усилитель обычно не используется таким образом.) Поэтому большинство операционные усилители используются с обратной связью (работа по замкнутому контуру).

В операционных усилителях используется дегенеративная (или отрицательная) обратная связь. уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя, но значительно увеличивает устойчивость цепи. В замкнутом контуре выходной сигнал подается обратно на один из входных терминалов. Эта обратная связь всегда дегенеративный (отрицательный). Другими словами, сигнал обратной связи всегда противостоит Эффекты исходного входного сигнала. Один из результатов дегенеративной обратной связи заключается в том, что инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя останется на том же потенциале.

Замкнутые цепи могут иметь инвертирующую или неинвертирующую конфигурацию. конфигурация. Поскольку инвертирующая конфигурация используется чаще, чем неинвертирующая конфигурация, инвертирующая конфигурация будет показан первым.

Конфигурация инвертирующего усилителя

Конфигурация инвертирующего усилителя.

На рисунке выше показан операционный усилитель в инвертирующем усилителе с обратной связью. конфигурация. Резистор R ₂ используется для питания части выходной сигнал обратно на вход операционного усилителя.

На этом этапе важно помнить о разнице между всем схема (или операционная схема) и операционный усилитель.

оперативный усилитель представлен треугольным символом, а рабочий цепь включает резисторы и любые другие компоненты, а также операционный усилитель. Другими словами, вход схемы показан на рис. выше, но сигнал на инвертирующем входе оперативного усилитель определяется сигналом обратной связи, а также входом схемы сигнал.

Как вы можете видеть на рисунке выше, выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов. с входным сигналом. Сигнал обратной связи является частью выходного сигнала и, следовательно, также на 180 градусов не совпадает по фазе с входным сигналом. В любое время входной сигнал становится положительным, выходной сигнал и сигнал обратной связи идут отрицательный. Результатом этого является то, что инвертирующий вход в операционный усилитель всегда очень близок к 0 вольт с этой конфигурацией. Фактически, при заземленном неинвертирующем входе напряжение на инвертирующем вход операционного усилителя настолько мал по сравнению с другими напряжениями в схеме это считается

виртуальная земля . (Помнить, в замкнутом контуре инвертирующий и неинвертирующий входы находятся на тот же потенциал.) Виртуальная земля — ​​это точка в цепи, которая находится на земле потенциал (0 вольт), но , а не подключен к земле.

Поскольку на инвертирующем входе 0 вольт, тока не будет (для всех практических целей), поступающих в операционный усилитель от соединения точка R ₁ и R ₂ . Учитывая эти условия, характеристики этой схемы почти полностью определяются значениями из Р ₁ и Р ₂ . Рисунок ниже должен помочь показать как значения R ₁ и R ₂ определяют характеристики цепи.

Протекание тока в рабочей цепи.

Примечание: здесь следует подчеркнуть, что для пояснения Операционный усилитель — теоретически идеальный усилитель. На практике мы имеем дело с менее совершенным. В практическом операционном усилителе будет небольшой входной ток с результирующей потерей мощности.

Этот маленький сигнал может быть измерен в теоретической точке виртуальной земли. Этот не указывает на неисправную работу.

Входной сигнал заставляет ток течь через R ₁ . (Показан и будет обсуждаться только положительный полупериод входного сигнала.) Так как напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равно 0 вольт, входной ток ( I _в ) вычисляется по формуле:

Выходной сигнал (который противоположен по фазе входному сигналу) вызывает ток обратной связи ( I _fdbk ) для протекания через Р ₂ . Левая сторона R ₂ находится на уровне 0 вольт (точка A), а правая сторона находится на уровне В _из . Следовательно, ток обратной связи рассчитывается по формуле:

(Знак минус указывает, что В _из сдвинуты по фазе на 180 градусов. с В _в и не следует путать с выходной полярностью. )

Поскольку на инвертирующий вход оперативного усилитель, любой ток, достигающий точки А от

R ₁ должен вытекать точки А через R ₂ . Следовательно, входной ток ( I ) и ток обратной связи ( I _fdbk ) должны быть равны. Теперь мы можем разработать математическое соотношение между входным и выходным сигналами и R ₁ и Р ₂ . Математически:

По замене:

Если обе части уравнения умножить на Р ₁ :

Если вы разделите обе части уравнения на V _из :

Обратив обе части уравнения:

Вы должны помнить, что усиление по напряжению каскада определяется как выходное напряжение, деленное на входное напряжение:

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующей конфигурации операционного усилитель выражается уравнением:

(Как указывалось ранее, знак минус указывает на то, что выходной сигнал равен 180°. градусов не совпадают по фазе с входным сигналом.)

Конфигурация неинвертирующего усилителя

Конфигурация неинвертирующего усилителя.

На рисунке выше показана неинвертирующая конфигурация с использованием операционного усилителя. Входной сигнал (

В _в ) подается непосредственно на неинвертирующий (+) вход операционного усилителя. Обратная связь обеспечивается соединительной частью выходной сигнал ( В _вых ) обратно на инвертирующий (-) вход операционный усилитель. R ₁ и R ₂ действуют как напряжение делитель, который позволяет использовать только часть выходного сигнала в качестве обратной связи ( В _ФДБК ).

Обратите внимание, что входной сигнал, выходной сигнал и сигнал обратной связи находятся в фазе. (Показано только положительное чередование сигнала.) Может показаться, что обратная связь является регенеративной (положительной), потому что обратная связь и входные сигналы в фазе.

На самом деле обратная связь является дегенеративной (отрицательной), потому что входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а сигнал обратной связи подается на инвертирующий вход. (Помните, что операционный усилитель реагировать на разницу между двумя входными данными.)

Как и в инвертирующей конфигурации, сигнал обратной связи равен входному сигнал (для всех практических целей). Однако на этот раз сигнал обратной связи находится в фазе с входным сигналом. Поэтому:

Учитывая это условие, можно рассчитать коэффициент усиления каскада в терминах резисторы (

R ₁ и R ₂ ).

Выигрыш этапа определяется как:

С:

Затем:

Сигнал обратной связи ( В _fdbk ) может быть показан на выходе сигнал ( В _вых ) и делитель напряжения ( R ₁ и Р ₂ ). Делитель напряжения имеет выходной сигнал на одном конце и земля (0 вольт) на другом конце. Сигнал обратной связи – это часть выходной сигнал, вырабатываемый R ₁

(в точке А). Другой способ посмотреть на это то, что сигнал обратной связи представляет собой количество оставшегося выходного сигнала (в точке A) после того, как часть выходного сигнала уменьшилась на Р ₂ . В в любом случае сигнал обратной связи ( V _fdbk ) представляет собой отношение R ₁ на весь делитель напряжения ( R ₁ + R ₂ ), умноженное на выходной сигнал ( V _out ).

Математически отношение выходного сигнала, сигнала обратной связи и делитель напряжения:

Если вы разделите обе части уравнения на В _из :

Обратив обе части уравнения:

Разделение правой стороны:

Помнить:

Поэтому по замене:

Теперь вы можете видеть, что усиление неинвертирующей конфигурации определяется по резисторам. Формула отличается от той, что используется для инвертирования конфигурации, но усиление по-прежнему определяется значениями Р ₁ и Р ₂ .

Инвертирующие операционные усилители Работа и применение

Краткое описание

Введение

Операционные усилители могут быть сконфигурированы для работы в качестве различных функциональных схем, таких как усилители, генераторы, регуляторы напряжения, фильтры, выпрямители и т. д. Для большинства этих конфигураций схем требуется выход операционного усилителя соединить обратно с его входом.

Это соединение выхода со входом называется «обратной связью». Поскольку операционные усилители имеют две входные клеммы, положительную и отрицательную, обратная связь в операционном усилителе может быть либо положительной, либо отрицательной обратной связью. Если выход подключен к неинвертирующему выводу операционного усилителя, обратная связь называется положительной, а если выход подключен к инвертирующему входу, обратная связь называется отрицательной. Выход подается обратно на вход операционного усилителя через внешний резистор, называемый резистором обратной связи (R _ф ). Подключение обратной связи обеспечивает средства для точного управления коэффициентом усиления операционного усилителя в зависимости от приложения.

Инвертирующий усилитель представляет собой важную схему, использующую операционные усилители и использующую соединение с отрицательной обратной связью. Инвертирующий усилитель, как следует из названия, инвертирует входной сигнал, а также усиливает его. Положительный сигнал на входе инвертирующего усилителя приведет к отрицательному сигналу на выходе и наоборот. Синусоидальный сигнал переменного тока на входе даст 180 ^o  синусоидальный сигнал на выходе в противофазе.

На приведенном выше рисунке показана принципиальная схема идеального инвертирующего усилителя. Вход подается на инвертирующую входную клемму через резистор R1, а неинвертирующая клемма подключается к земле. Выход подается обратно на инвертирующий вход через резистор обратной связи R _f .

Когда на инвертирующий вход (база транзистора Q2) подается положительное напряжение, ток на выводе коллектора Q2 увеличивается, а также увеличивается падение напряжения на RC. Этот эффект приводит к снижению выходного напряжения, поскольку неинвертирующий входной вывод (база транзистора Q1) заземлен. База Q2 будет притянута к земле отрицательной обратной связью, независимо от приложенного входного напряжения. Таким образом, при подаче Vin выходное напряжение Vout изменяется до уровня, который удерживает инвертирующий входной разъем на уровне земли. По этой причине инвертирующий входной терминал в этой конфигурации схемы называется виртуальной землей. Соединение резисторов R1 и Rf всегда остается на уровне земли из-за виртуальной земли. Если не учитывать небольшой ток смещения, протекающий по цепи операционного усилителя, ток I протекает через оба резистора R1 и Rf. Входное и выходное напряжения можно рассчитать как

Vin = I. R1​

​и Vout = -I.Rf

Коэффициент усиления по напряжению с обратной связью ACL = Vout / Vin = -I.Rf / I.R1​

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего операционного усилителя​

Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя по напряжению замкнутого контура задается как

ACL = Vout / Vin = – (Rf / R1​​)

Знак минус в уравнении усиления замкнутого контура указывает, что выход инвертирован относительно примененного ввода.

В практическом инвертирующем усилителе неинвертирующий вход не соединен с землей напрямую. Он должен быть заземлен резистором с тем же значением, что и R1, чтобы поддерживать равные входные токи. Это дает больше шансов на то, что выходное напряжение будет равно нулю (или близко к 0) вольт, когда входное напряжение равно нулю.

Примечание:

В схеме инвертирующего усилителя, если оба резистора R1 и Rf имеют одинаковую величину Rf = R1, тогда коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет равен -1, а выходной сигнал является дополнением приложенный вход, Vвых = – Вин. Этот тип конфигурации инвертирующего усилителя обычно называется инвертором с единичным усилением или просто инвертирующим буфером.

Характеристики напряжения инвертирующего усилителя

Характеристики напряжения или передаточная кривая операционного усилителя показана на рисунке выше. Можно отметить, что когда входной сигнал VIN положительный, выходной VOUT отрицательный, и наоборот. Кроме того, выход изменяется линейно по отношению к применяемому входу. Характеристическая кривая насыщается, или, другими словами, выходной сигнал становится постоянным, когда амплитуда входного сигнала выходит за пределы положительного и отрицательного источников питания, подаваемых на операционный усилитель.

т. е. +V _CC = + V _SAT и –V _CC = -V _SAT

Примеры инвертирующего операционного усилителя

до 10кОм.

Приведены значения коэффициента усиления усилителя и входного сопротивления.

Мы знаем, что для инвертирующего усилителя A _CL = – R _f /R ₁

Следовательно, R _f = -A _CL x R ₁

                            = – (-10) x 10 кОм

R _f = 100 кОм К выходной клемме подключена нагрузка 25 кОм. Рассчитать,

• Текущий i ₁
• Выходное напряжение В _вых
• Ток нагрузки i _L

(i) Входной ток i1

i1 = Vin / R1

= 1 В / 10 кОм

I1 = 0,1 мА

(II) ВЫХОД ВЫХОД ВОУТ

V _OUT = — (R _{F ​​} / R ₁ ) * V _в

= – (100K окта). 1 V

V _OUT = — 10 V

(III) Ток нагрузки IL:

I _L = V _OUT / R _L

= 10 V / 25K 000

i _L = 0,4 мА​

Трансимпедансный усилитель

A Трансимпедансный усилитель представляет собой простую схему, которая преобразует входной ток в соответствующее напряжение на выходе, т. е. представляет собой преобразователь тока в напряжение. Трансимпедансный усилитель можно использовать для усиления выходного тока фотодиодов, фотодетекторов, акселерометров и других типов датчиков до приемлемого значения напряжения. Трансимпедансный усилитель обеспечивает низкое сопротивление фотодиода и изолирует его от выходного напряжения операционного усилителя.

Простейший трансимпедансный усилитель будет иметь очень большой резистор обратной связи. Коэффициент усиления усилителя зависит от этого резистора. В зависимости от применения трансимпедансные усилители могут быть сконфигурированы различными способами. Все эти различные конфигурации преобразуют ток низкого уровня датчика в значительный уровень напряжения. Значения коэффициента усиления, полосы пропускания и смещения напряжения/тока изменяются в зависимости от типа датчиков.

Работа на постоянном токе​

Принципиальная схема базового трансимпедансного усилителя показана на рисунке выше. Фотодиод подключен к инвертирующему входу. Неинвертирующий вход подключается к земле. Это обеспечивает нагрузку с низким импедансом для фотодиода, что поддерживает низкое напряжение на фотодиоде. Высокий коэффициент усиления операционного усилителя удерживает ток фотодиода равным току обратной связи через Rf. Поскольку в этой схеме фотодиод не имеет внешнего смещения, входное напряжение смещения из-за фотодиода очень низкое. Это обеспечивает большой коэффициент усиления по напряжению без значительного смещения выходного напряжения.

Можно отметить, что

-i _P = V _OUT / R _{F ​​}

, то есть V _OUT / I _P = -R _{F ​​}

Уравнение выше. и низкочастотное усиление трансимпедансного усилителя. Если коэффициент усиления велик, любое входное напряжение смещения на неинвертирующем входе операционного усилителя приведет к выходному напряжению смещения. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, трансимпедансные усилители обычно проектируются с полевыми транзисторами на входе операционного усилителя, которые имеют очень низкие входные напряжения смещения.

Частотная характеристика трансимпедансного усилителя обратно пропорциональна коэффициенту усиления, установленному резистором обратной связи Rf. Датчики, которые используются в этих усилителях, обычно имеют большую емкость, чем может выдержать операционный усилитель. Эта емкость на входных клеммах операционного усилителя вместе с внутренней емкостью операционного усилителя вводят фильтр нижних частот в тракт обратной связи. Отклик фильтра нижних частот этого фильтра можно охарактеризовать как коэффициент обратной связи β, который ослабляет сигнал обратной связи.

Когда учитывается влияние этого фильтра нижних частот, уравнение отклика схемы принимает вид

Где AOL — коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи.

На низких частотах коэффициент обратной связи β мало влияет на отклик усилителя. Отклик усилителя будет близок к идеальному значению, пока коэффициент усиления без обратной связи (A _OL ^β ) намного больше единицы.