Működési erősítők: A nem invertáló topológiák invertálása

Az operatív erősítő, a magjában, nagy teljesítményű feszültségerősítő, amely nélkülözhetetlen egy számtalan elektronikus rendszerhez.Ez az eszköz egy olyan tervezési filozófiára fordul, amely kihasználja az induktorokat, kondenzátorokat és ellenállókat.Ezek az alkatrészek összefonódnak a kifinomult táncban, és a feszültség nyereségét komplex visszacsatolási mechanizmuson keresztül szervezik.Általában az OP-AMP-t három alapvető terminálra desztillálják: az invertáló bemenet, a nem invertáló bemenet és a kimenet.Ezeknek a termináloknak a bonyolult tánca diktálja az erősítő teljesítményét és alkalmazási körét.

Katalógus

Idealizált forgatókönyv szerint az OP erősítő a tökéletesség paragonja, amely olyan tulajdonságokkal büszkélkedhet, mint a végtelen ellenállás mindkét bemeneten - ez a bizonyság, hogy nincs áram áthaladása a terminálokba.Biztosítja a bemenetek közötti egyenletes feszültséget, a nulla kimeneti ellenállást, a határtalan nyitott hurok nyereséget, a végtelen sávszélességet és az elhanyagolható eltolást.Mielőtt azonban belemerülnénk az operatív erősítők birodalmába, nagyon szükséges megérteni a negatív visszajelzések természetét.Ez a koncepció nem csupán az áramköri tervezés oszlopa;Ez a nagy teljesítményű, stabil elektronikus áramkörök sarokköve.

Cikkünk célja a negatív visszacsatolás, annak tervezési megfontolásainak és az áramkör teljesítményének javításának optimalizálásával történő kibontása.A következő sorban két pivotális operatív erősítő topológiájának aprólékos boncolása van: az invertáló és a nem invertáló erősítők.Bemerülünk az alapelveikbe, a számítási módszerekbe és az áramkör tervezésének kulcsfontosságú elemeibe.Ez a mély merülés panorámás képet nyújt nekünk arról, hogy ezek az erősítő topológiák hogyan megkönnyítik a precíziós szabályozást és a meghatalmazhatatlan stabilitást a valós alkalmazásokban.

Mielőtt megértenénk az operatív erősítőket (invertálás és nem invertáló topológiák), meg kell értenünk egy kulcsfontosságú koncepciót, negatív visszajelzést.

A negatív visszacsatolás nemcsak az áramköri tervezési technika, hanem a nagy teljesítményű, nagy stabilitású elektronikus áramkörök elérésének sarokköve is.A negatív visszacsatolás alapvető fogalma az, hogy ellenállást adjon a kimenet és az invertáló bemenet között, létrehozva egy zárt hurkú vezérlőrendszert.

Az OP-erősítők rendkívül magas nyitott hurok-nyereséget biztosíthatnak negatív visszacsatolás nélkül, de az ilyen magas nyereséget gyakran kontroll nehézségek és rossz stabilitás kíséri.

Ha visszacsatolási ellenállást vezet be a kimenet és az invertáló bemenet között, az erősítő kimeneti jelének egy része a bemenet "visszacsatolás".Ez a módszer ténylegesen "terjeszti" a nyereség egy részét, ezáltal szabályozva az erősítő általános nyereségét.

A visszacsatolás ellenállás kiválasztása: A visszacsatolási ellenállás értéke közvetlenül befolyásolja a zárt hurok nyereségét.A megfelelő ellenállási érték kiválasztása kulcsfontosságú a kívánt nyereség és teljesítmény eléréséhez.

A zárt hurkú nyereség és a sávszélesség közötti kapcsolat: A nyereség és a sávszélesség közötti kompromisszumot a tervezés során figyelembe kell venni.A zárt hurkú nyereség növelése általában a sávszélesség csökkenését eredményezi.

Stabilitás és torzítás: A megfelelő negatív visszacsatolás jelentősen javíthatja az áramkör stabilitását és csökkentheti a jel torzulását.

A visszacsatolási hálózat pontos kiszámítása: A visszacsatolás ellenállások és más kapcsolódó áramköri komponensek paramétereinek pontos kiszámításával optimalizálható az erősítő teljesítménye, például a linearitás, a zajszint és a frekvencia válasz.

Használjon kiváló minőségű elektronikus alkatrészeket: A nagy pontosságú, alacsony zajszintes ellenállások és más alkatrészek kiválasztása javíthatja az áramkör általános teljesítményét.

A negatív visszacsatolás lehetővé teszi a nagyobb stabilitást és a jobb ellenőrzést azáltal, hogy feláldozza a nyílt hurok nyereségét.

Ezenkívül segíti az áramkör teljesítményének ingadozásának csökkentését is, amelyet a külső tényezők, például a hőmérsékletváltozások és az energiaellátás instabilitása okoznak.

A negatív visszacsatolás kulcsfontosságú technológia az operatív erősítő kialakításában.Finom zárt hurkú vezérlés révén eléri a stabilitást és az irányíthatóságot, ami elengedhetetlen az elektronikus áramkörök általános teljesítményének és megbízhatóságának javításához.A negatív visszacsatolás működési alapelveinek és alkalmazásainak mélyebb megértésével az elektronikus áramköri tervezők pontosabb és stabilabb áramköri rendszereket tervezhetnek.

Az invertáló erősítő topológiájában az áramkör magja az operatív erősítő, amelynek invertáló bemenete a negatív visszacsatolási jelet kapja a kimenetből az RF ellenálláson keresztül.Ennek a topológiának az a jellemzője, hogy amikor a kimeneti feszültség növekszik, akkor az invertáló bemeneti terminál feszültsége csökken, ezáltal csökkentve a kimeneti feszültség növekedését és negatív visszacsatolást képezve.

Egy ideális világban feltételezzük, hogy nincs feszültségkülönbség az OP-AMP bemeneti termináljai között, azaz az invertáló és a nem invertáló terminálok ugyanabban a feszültségben lesznek.Ezt az állapotot "virtuális rövidzárlatnak" hívják.

Mivel a nem invertáló bemeneti terminál közvetlenül csatlakoztatva van a talajhoz (a feszültség 0V), a invertáló bemeneti csatlakozót 0 V-n is kell tartani, hogy kielégítsék a virtuális rövidzárlatot.

Közülük (0 - VIN)/R1 a bemeneti terminálról az invertáló terminálig tartó áramot képviseli, és (0 - Vout)/RF az áramot a kimeneti terminálról az invertáló terminálra.

Ez azt mutatja, hogy a nyereség nagyságát az RF és R1 aránya határozza meg, és a negatív jel miatt a kimeneti jel nem fázisból van (180 fázison kívül) a bemeneti jelhez.

A bemeneti impedanciát nagyrészt az R1 bemeneti ellenállás határozza meg a fordító erősítőben.Ehhez a bemeneti jelforrás kimeneti impedanciájának alapos megfontolása szükséges a hatékony impedancia illesztéshez.

A frekvenciaválasz, az létfontosságú szempont, az OP Amp velejáró sávszélességének korlátozása miatt korlátozásokkal rendelkezik.Ez egy árnyalt kiegyensúlyozó cselekedethez vezet a nyereség és a sávszélesség között, amelyet aprólékosan optimalizálni kell, hogy megfeleljen az adott alkalmazásnak.

A zaj és a stabilitás, jelentősen befolyásolja az áramkör teljesítményét.Az áramkör zajprofilja, amelyet az ellenállások és az OP erősítők alakítanak, aggodalomra adhat okot.Ennek ellenére ez nem legyőzhetetlen kihívás.Az alacsony zajú alkatrészek kiválasztásával és az átgondolt áramköri elrendezés alkalmazásával ezek a kérdések lényegesen enyhíthetők.

A nem invertáló erősítő topológiához az alapelv az, hogy a bemeneti jelet a működési erősítő nem invertáló bemenetéhez csatlakoztatja, és ugyanakkor használjon visszacsatolási ellenállót (RF) a nem invertáló terminálhoz való csatlakozáshoz a formához.zárt hurkú vezérlés.Ideális állapotban feltételezzük, hogy a nem invertáló bemeneti terminál feszültsége és az operatív erősítő invertáló bemeneti terminál (invertáló bemenet) egyenlő, vagyis nulla feszültség a jelzés nélküli állapotban.Ebben az esetben a nem invertáló bemenet feszültsége megegyezik a bemeneti jel feszültségével (VIN), mivel közvetlenül csatlakozik a bemeneti jelhez.

A Kirchhoff jelenlegi törvényét (KCL) az invertáló terminálra alkalmazva meg lehet határozni a csomópont -egyenletet.Ez az egyenlet figyelembe veszi az invertáló terminálba áramló áramok összegét, amelynek nullának kell lennie (amelyet figyelmen kívül lehet hagyni, figyelembe véve az OP-AMP rendkívül kis bemeneti áramát).

Itt (VIN - VOUT)/RF az áram, amely a visszacsatoló terminál visszacsatolási ellenállásán keresztül áramlik, és (VIN - 0)/R1 az áram, amely az invertáló terminál bemeneti ellenállásán keresztül áramlik.

Ez a képlet azt mutatja, hogy a nem invertáló erősítő nyereségét a visszacsatolási ellenállás és a bemeneti ellenállás aránya határozza meg, és hogy a nyereség legalább 1 (azaz ha RF = 0).

Impedancia -illesztés: Az áramkör stabilitásának javítása és a jel torzulásának csökkentése érdekében figyelembe kell venni a bemeneti jelforrás kimeneti impedanciájának és az erősítő bemeneti impedanciájának illesztését.

Frekvenciaválasz: Az OP-AMP sávszélesség-korlátozásai miatt a nem invertáló erősítő frekvencia-reakciója csökkenhet a nyereség növekedésével.A tervezésnek fontolóra kell vennie a megfelelő OP AMP modell kiválasztását és az áramköri paraméterek beállítását az alkalmazás követelményeinek való megfelelés érdekében.

Zaj és stabilitás: Az ellenállás zaj és az OP-AMP belső zaj egyaránt befolyásolja a nem invertáló erősítő teljesítményét.A tervezés során alacsony zajszintű ellenállásokat és OP-erősítőket kell választani, és a megfelelő útválasztási és földelési stratégiákat kell alkalmazni az áramkör általános stabilitásának és zajának elutasításának javítására.

Ha mélyen belemerül a negatív visszacsatolás, az erősítő és a nem invertáló erősítő topológiák árnyalataiba, gazdagabb értékelést kapunk a modern elektronikus áramkör-tervezés birodalmában.Először fordítsuk fel a figyelmünket a negatív visszajelzés előnyeire.Ez egy játékváltó: A negatív visszajelzés alapvetően a nyereség csökkentésével mind a stabilitást, mind a pontosságot az áramkörökben.Fontolja meg például egy operatív erősítőt.Itt a negatív visszacsatolás egy erős eszköz, amely drámai módon csökkenti a kimeneti impedanciát, miközben egyidejűleg növeli a bemeneti impedanciát.Ez a kettős művelet finomítja az áramkör válasz jellemzőit.Ez a fejlesztés kettős: nemcsak növeli az áramkör teljesítményét, hanem figyelemre méltóan enyhíti a hőmérsékleti ingadozások és az eszköz öregedésének hatását az áramkör hatékonyságára.

Most navigáljunk az invertálás és a nem invertáló erősítő topológiák bonyolultságain.Az invertáló erősítők, amelyek a bemeneti és a kimeneti jelek közötti 180 fokos fázisú inverziójukról ismertek, a hangrendszerek és a jelfeldolgozás nélkülözhetetlenek.Vegyük példaként az audio erősítőket;A fordított erősítők fontos szerepet játszanak egy tiszta, torzításmentes kimeneti jel előállításában, ezáltal növelve a hangminőséget.Másrészt a nem invertáló erősítők döntő szerepet játszanak az adatgyűjtésben és az érzékelő interfészekben, a fázishoz igazított bemenetüknek és kimenetüknek köszönhetően.Kiemelkednek a jelútok csonkításában és a zaj-interferencia csökkentésében, amely viszont felerősíti a rendszer jel-zaj arányát.

Lényegében az elektronikus áramkör -tervezés alapvető ismerete nem pusztán elmélyíti az áramköri alapelvek megértését;Megállapít egy robusztus platformot a hatékony, alacsony zajú és adaptálható elektronikus rendszerek létrehozásához.Ezen fogalmak alapos megértése felkészíti az elektronikus tervezőket hatalmas vászonnal az innováció érdekében, és elősegíti az elektronikus technológia folyamatos fejlődését.