Неинвертирующий оу. Неинвертирующий усилитель: принцип работы, схемы и применение

Что такое неинвертирующий усилитель. Как работает неинвертирующий усилитель. Какие схемы неинвертирующих усилителей существуют. Где применяются неинвертирующие усилители. Какие преимущества у неинвертирующих усилителей.

Что такое неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель — это тип усилителя, в котором входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Основные особенности неинвертирующего усилителя:

• Выходной сигнал находится в фазе с входным
• Коэффициент усиления всегда больше единицы
• Высокое входное сопротивление
• Низкое выходное сопротивление

В отличие от инвертирующего усилителя, неинвертирующий усилитель не инвертирует полярность входного сигнала. Это делает его удобным для применений, где важно сохранить фазу сигнала.

Принцип работы неинвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель работает по следующему принципу:

1. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя
2. Часть выходного сигнала подается обратно на инвертирующий вход через делитель напряжения
3. За счет отрицательной обратной связи потенциалы на входах ОУ выравниваются
4. Выходное напряжение усиливается пропорционально коэффициенту усиления

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется резисторами обратной связи и задается формулой:

K = 1 + R2/R1

Где R2 — сопротивление в цепи обратной связи, R1 — сопротивление в цепи инвертирующего входа.

Схема неинвертирующего усилителя

Базовая схема неинвертирующего усилителя выглядит следующим образом:

[Схема неинвертирующего усилителя]

Основные элементы схемы:

• Операционный усилитель
• Резистор R1 в цепи инвертирующего входа
• Резистор R2 в цепи обратной связи
• Источник входного сигнала Vin
• Выходной сигнал Vout

Входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а выходной снимается с выхода ОУ. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для организации отрицательной обратной связи.

Применение неинвертирующих усилителей

Неинвертирующие усилители широко используются в различных областях электроники и измерительной техники:

• Усиление слабых сигналов с датчиков и сенсоров
• Буферные каскады с высоким входным сопротивлением
• Повторители напряжения
• Прецизионные измерительные усилители
• Аудиоусилители
• Фильтры и интеграторы

Высокое входное сопротивление делает неинвертирующие усилители идеальными для работы с высокоомными источниками сигнала. Это позволяет минимизировать влияние усилителя на измеряемую цепь.

Преимущества неинвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель имеет ряд важных преимуществ по сравнению с инвертирующим:

• Очень высокое входное сопротивление (теоретически бесконечное)
• Низкое выходное сопротивление
• Отсутствие инверсии фазы входного сигнала
• Коэффициент усиления всегда больше единицы
• Простота регулировки коэффициента усиления
• Высокая стабильность

Эти преимущества делают неинвертирующие усилители очень популярными во многих приложениях, особенно когда важно высокое входное сопротивление.

Расчет неинвертирующего усилителя

При проектировании неинвертирующего усилителя необходимо рассчитать номиналы резисторов для получения нужного коэффициента усиления. Основные шаги расчета:

1. Задать требуемый коэффициент усиления K
2. Выбрать номинал R1 (обычно 1-10 кОм)
3. Рассчитать R2 по формуле: R2 = R1 * (K — 1)
4. Проверить расчет по формуле: K = 1 + R2/R1

Например, для коэффициента усиления 10 при R1 = 1 кОм:

R2 = 1 кОм * (10 — 1) = 9 кОм

Проверка: K = 1 + 9/1 = 10

При выборе номиналов следует учитывать доступные номиналы резисторов и возможные погрешности.

Частотные характеристики неинвертирующего усилителя

Частотные свойства неинвертирующего усилителя зависят от следующих факторов:

• Частотные свойства используемого операционного усилителя
• Паразитные емкости монтажа
• Номиналы резисторов обратной связи

На высоких частотах коэффициент усиления начинает снижаться из-за частотных ограничений ОУ. Верхняя граничная частота f_в определяется как:

f_в = f₁ / K

Где f₁ — частота единичного усиления ОУ, K — коэффициент усиления.

Для расширения полосы пропускания используют различные методы частотной коррекции, например, емкостную обратную связь.

Сравнение инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Рассмотрим основные отличия инвертирующей и неинвертирующей схемы усилителя:

Параметр	Инвертирующий	Неинвертирующий
Входное сопротивление	Равно R1	Очень высокое
Фаза выходного сигнала	Инвертирована	Совпадает с входным
Минимальный коэффициент усиления	Может быть меньше 1	Всегда больше 1
Схема	Проще	Сложнее

Выбор типа усилителя зависит от конкретного применения и требований к схеме.

Неинвертирующий усилитель

RADIOMASTER

Лучшие смартфоны на Android в 2022 году

Серия iPhone от Apple редко чем удивляет. Когда вы получаете новый iPhone, общее впечатление, скорее всего, будет очень похожим на ваше предыдущее устройство. Однако всё совсем не так в лагере владельцев устройств на Android. Существуют телефоны Android всех форм и размеров, не говоря уже о разных ценовых категориях. Другими словами, Android-телефон может подойти многим. Однако поиск лучших телефонов на Android может быть сложной задачей.

Документация Схемотехника CAD / CAM Статьи

Компьютеры Радиолюбителю

• Главная
/
• База знаний
/
• Статьи
/
• Радиолюбителю

В схеме инвертирующего усилителя рис. 1.5 резисторы R1 и R2 образуют делитель, через который протекает одинаковый ток

Исходя из этого к инвертирующему входу ОУ приложено напряжение:

Рисунок 1.1 — Неинвертирующий усилитель

Однако, как уже отмечалось, за счет отрицательной обратной связи потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов будут примерно равными, т.е.

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

В отличие от инвертирующего усилителя входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным дифференциальным сопротивлением ОУ и можно считать, что

(Например, у усилителей с МОП транзисторами на входе Ом. Выходное сопротивление составляет несколько десятков-сотен Ом. Сумма сопротивлений (R1 +R2) должна быть такой, чтобы общий максимальный ток нагрузки ОУ с учетом этого сопротивления не превышал допустимого значения.

Рисунок 1.2 — Повторитель напряжения

На рис. 1.2 приведена схема неинвертирующего усилителя со 100% отрицательной обратной связью. При подаче напряжения на вход, за счет обратной связи выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов не сравняются (считаем ), т.е выходное напряжение окажется приблизительно равным входному. Таким образом коэффициент усиления схемы рис. 6.7

В силу этого схема рис. 1.2 называется повторителем, так как сигнал на выходе имеет ту же амплитуду и фазу , что и входной. Повторитель часто используется в качестве буферного каскада.

При необходимости усиливать переменный сигнал можно использовать схему рис. 1.3. Для входного тока (очень небольшого) в схеме предусмотрено заземление неинвертирующего входа через резистор R.

RC-цепь образует фильтр высоких частот, поэтому постоянная времени должна выбираться исходя из требуемой нижней граничной частоты пропускания усилителя.

Рисунок 1.3 – Усилитель переменного напряжения

Нравится

Твитнуть

Теги Радио

Сюжеты Радио

Малошумящие низкочастотные усилители

11978 0

Влияние режима работы транзистора на шумы

7166 0

Влияние построения схемы на параметры

16654 0

Комментарии (0)

Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

Вход

О проекте Использование материалов Контакты

Новости Статьи База знаний

Радиомастер
© 2005–2022 radiomaster.ru

При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.2506 s

5 важных фактов, которые вы должны знать

Введение в неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель — это еще один режим работы стандартного усилителя. Как известно, типовые усилители имеют два вывода — инвертирующий и неинвертирующий. Когда входы поступают через неинвертирующие клеммы, такой режим работы известен как неинвертирующий усилитель.

Теория неинвертирующего усилителя

Принцип работы или теория, лежащая в основе неинвертирующего усилителя, такая же, как и у инвертирующего усилителя, а для неинвертирующего усилителя вход подается на неинвертирующий терминал. Усилитель усиливает выходной сигнал с определенным коэффициентом усиления и передает его в производство. Коэффициент усиления зависит от значений сопротивления, и система обратной связи соединена с инвертирующим усилителем для создания отрицательной обратной связи в системе. Поскольку система имеет отрицательную обратную связь, этот усилитель имеет большую стабильность, но меньшее усиление, чем инвертирующий усилитель с такими же значениями сопротивления.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя

На изображении ниже изображена принципиальная схема неинвертирующего усилителя. На изображении ниже Vin — входное напряжение для усилителя, R1 — сопротивление первичной обмотки, Rf — сопротивление обратной связи, а «I» — ток через сопротивление обратной связи. Внимательно изучите изображение, поскольку в статье оно будет называться изображением неинвертирующего усилителя.

Изображение Фото: Индуктивная нагрузка, Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Проектирование неинвертирующий усилитель это довольно простая и понятная задача. Первоначально операционный усилитель настроен на положительную и отрицательную полярность. опорное напряжение и заземляющие контакты выполнены в соответствии с требованиями. Теперь, поскольку это неинвертирующий усилитель, входное напряжение подается на неинвертирующий вывод, а инвертирующий вывод подключен к земле через сопротивление, а стандартное сопротивление обратной связи связано с инвертирующим усилителем для обеспечения -ve. обратная связь в цепи неинвертирующего усилителя.

Как работает неинвертирующий усилитель?

Неинвертирующий усилитель усиливает входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, а сопротивления в конструкции усилителя действуют как коэффициент усиления в конкретном математическом уравнении. Из-за виртуального заземления напряжение точки B также появляется на конце «A». Таким образом, узел A имеет то же напряжение, что и входное напряжение. Опять же, через инвертирующий вывод будет протекать тот же ток, что и в цепи обратной связи.

Вывод неинвертирующего усилителя

Выведем уравнения неинвертирующего усилителя и другие важные формулы. Сначала предположим, что для усилителя работает виртуальное замыкание.

Тогда напряжение в узле B будет равно напряжению в узле A.

Теперь VB = Vin.

Таким образом, Vin также появится в узле A. Следовательно, мы можем сказать:

ВА = Вин.

Предположим, что выходное напряжение равно Vo. Сопротивление обратной связи называется Rf. Ток в цепи обратной связи равен «I». «Я» можно записать, как показано ниже.

I = (Vo — VA) / Rf

Или I = (Vo / Rf) — (VA / Rf) —- (1)

Такой же ток протекает через инвертирующий терминал. Итак, уравнение для этого терминала,

I = (VA — 0) / R1 = VA / R1 = Vin / R1 —- (2)

Приравнивая уравнение (1) и уравнение (2), мы можем записать —

(Vo / Rf) — (Vin / Rf) = Vin / R1

Или Vo / Rf = Vin / R1 + (Vin / Rf)

Или Vo / Rf = Vin [(1 / R1) + (1 / Rf)]

Или Vo / Rf = Vin [(Rf + R1) / (R1 Rf)]

Или Vo = Vin [(Rf + R1) / R1]

Или V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это конечный выход неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель Уравнение

Окончательное выходное уравнение схемы известно как уравнение неинвертирующего усилителя. Уравнение показывает соотношение между входным и выходным напряжением. Коэффициент усиления также можно наблюдать в уравнении.

V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это уравнение неинвертирующего усилителя. Rf — сопротивление обратной связи, R1 — сопротивление, подключенное к инвертирующей клемме. Значения этих сопротивлений влияют на входное напряжение. Как мы видим, если значение (Rf / R1) больше 1, то мы выиграли в системе. Таким образом, коэффициент (Rf / R1) необходимо увеличить как можно больше. Но до некоторой степени это можно сделать.

Неинвертирующий усилитель Vout

Vout или выходное напряжение неинвертирующего усилителя говорит нам, почему этот набор операций в усилителе называется неинвертирующим усилителем. Выходное уравнение неинвертирующего усилителя задается как V0 = Vin [1 + (Rf / R1)].

Из приведенного выше уравнения мы можем заметить, что выходное и входное напряжение находятся в одной фазе работы. В отличие от инвертирующего терминала, выход усилителя не инвертируется в отрицательную фазу. Вот почему рабочая установка называется неинвертирующим усилителем.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Идеальный операционный усилитель обладает свойством высокого входного импеданса, и поэтому каждый усилитель спроектирован так, чтобы иметь большее входное сопротивление. Неинвертирующие усилители — не исключение. Они показывают более высокие входные сопротивления при работе.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Выход усилителя — это вход, умноженный на коэффициент усиления. Коэффициент усиления усилителей зависит от значений сопротивления и типа обратной связи усилителя. Для системы с отрицательной обратной связью усиление уменьшилось, а стабильность системы увеличилась, а для положительной обратной связи усиление выше, но сила системы снизилась.

Для уравнения: Vвых = k * Вин, k — коэффициент усиления усилителя.

(Следует отметить: коэффициент усиления — это отношение выходного напряжения к подаваемому входному напряжению. Вот почему у него нет единиц измерения.)

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Ранее мы обсуждали, что такое усиление для неинвертирующего усилителя. Выясним точное выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя.

Общее выражение выходного напряжения усилителя: Vвых = к * Вин.

O / P equⁿ неинвертирующего усилителя, сформулированного как  

V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin.

Таким образом, k можно вычислить, сравнив два приведенных выше уравнения.

к = [1 + (Rf / R1)].

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, и отсюда мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Неинвертирующий операционный усилитель с отрицательным усилением

Подробный анализ коэффициента усиления неинвертирующего ОУ делается ранее. Отрицательное усиление неинвертирующего операционного усилителя называется точным усилением усилителя. Ему дается другая номенклатура, потому что операционный усилитель снабжен отрицательной обратной связью. Хотя этот термин вводит в заблуждение, многие читатели считают, что он указывает на то, что неинвертирующий усилитель обеспечивает отрицательную величину коэффициента усиления.

Передаточная функция неинвертирующего усилителя

Передаточная функция системы относится к процессу, который описывает или предоставляет выходные данные для каждого входа. Поскольку усилитель принимает два входа и усиливает их, передаточная функция будет отражать то же самое. Передаточную функцию можно записать как:

Vo = к * Vi

Здесь Vo и Vi — два входа, а k — коэффициент усиления.

Макетная плата неинвертирующего усилителя

Чтобы наблюдать и исследовать функциональность неинвертирующего усилителя в реальных условиях, нам нужно сделать схему с использованием печатной платы или макета. Для эксперимента требуется некоторое оборудование. Они перечислены ниже.

1. Сопротивления 1 кОм и XNUMX кОм.
2. IC741
3. Подключение проводов
4. CRO
5. макетировать
6. Источник постоянного напряжения

Подключение макета показано ниже. Подключите оборудование правильно и наблюдайте за формой выходного сигнала в CRO.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя

Прежде чем узнать о полосе пропускания неинвертирующего усилителя, дайте нам знать полосу пропускания усилителя. Полоса пропускания упоминается как диапазон частот, при котором усилитель усилителя превышает 70.7%.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя определяется путем рассмотрения произведения усиления на ширину полосы и последующего деления его на неинвертирующее усиление.

Неинвертирующий фазовый сдвиг усилителя

Обычно фазовый сдвиг называется изменением величины входного сигнала. Есть черный ящик, и мы обеспечиваем входной сигнал +5 В. Теперь, если мы получаем -10 В на выходе, то внутри черного ящика есть фазовый сдвиг. То же самое и с усилителями. Поскольку мы обеспечиваем вход для неинвертирующего усилителя, фаза выходного напряжения не изменяется. Итак, мы можем сказать, что есть 0^o изменение вывода. Для инвертирующего терминала фазовый сдвиг -180^o.

Коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя

Суммирующий усилитель обеспечивает усиленное суммирование входных напряжений на выходе. В приведенной ниже схеме мы задали два входных напряжения как V1 и V2 на неинвертирующем выводе усилителя, поскольку мы хотим создать неинвертирующий суммирующий усилитель.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Суммирующий усилитель операционного усилителя, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Применяя теорию суперпозиции для определения напряжения в узлах, мы приравниваем значения тока из ветви обратной связи и ветви инвертирующего терминала.

Выходное уравнение выглядит следующим образом: Vout = [1 + (Rf / Ra)] * [(V1 + V2) / 2]

Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя составляет [1 + (Rf / Ra)], и это аналогично типичным неинвертирующим усилителям.

Применение неинвертирующего усилителя | Не инвертирующий усилитель использует.

• Одним из важных применений неинвертирующего усилителя является обеспечение высокого входного импеданса, и этот неинвертирующий операционный усилитель очень эффективен для этого.
• Неинвертирующие операционные усилители используются для различения небольших схем внутри каскадного и сложного курсов.
• Они также используются при изменении коэффициента усиления.

Для чего используются неинвертирующие усилители?

Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

Инвертирующий и неинвертирующий шум усилителя

Инвертирующие усилители обеспечивают большее усиление шума, чем неинвертирующие усилители. Это происходит потому, что источник тока и напряжения находят разные значения усиления по сравнению с выходом. Коэффициент усиления шума — очень важный параметр для измерения характеристик усилителя.

Неинвертирующий буферный усилитель

Неинвертирующий буферный усилитель, или буферный усилитель, или буферный операционный усилитель — это особый тип операционного усилителя, который принимает единственный входной сигнал через неинвертирующий усилитель и обеспечивает единичное усиление. Инвертирующий терминал закорочен, а выход создает отрицательную обратную связь. Такие усилители предлагают высокий входной импеданс, более низкий выходной импеданс и высокий ток.

Буферы используются для автоматического выключателя или во избежание загрузки входа.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Операционный усилитель Unity-Gain Buffer, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Неинвертирующий усилитель с конденсатором

Конденсатор может быть добавлен с неинвертирующим усилителем для реализации различных передаточных функций. Конденсатор может превратить неинвертирующий усилитель в интегратор или дифференциатор.

Используя конденсаторы, неинвертирующие усилители также могут быть преобразованы в цепи со связью по переменному току или «шину с половинным питанием».

Неинвертирующий усилитель с опорным напряжением

Неинвертирующие усилители конфигурируются с опорными напряжениями. Эталонные напряжения необходимы для операционных усилителей, поскольку они являются ограничивающим пределом для выходов. Усилитель не может выйти за пределы положительного опорного напряжения или опускается ниже отрицательного опорного напряжения.

Часто задаваемые вопросы

1. Для чего нужен неинвертирующий усилитель?

Ответ: Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

2. Какой усилитель лучше инвертирующий или неинвертирующий?

Ответ: Инвертирующие усилители более предпочтительны, чем неинвертирующие усилители. Скорость нарастания и коэффициент подавления стандартной моды (CMRR) у инвертирующего усилителя выше, чем у неинвертирующего усилителя.

3. Нарисуйте форму сигнала неинвертирующего усилителя.

Ответ: На изображении ниже показана форма волны неинвертирующего усилителя. Мы можем заметить, что выход усилен и находится в той же фазе, что и вход.

Waveform

4. Для каких приложений используется инвертирующий усилитель и для каких применений — неинвертирующий усилитель?

Ответ: В приложениях, где пользователю требуется более высокое усиление, лучшая скорость нарастания и лучший CMRR, выбирают инвертирующий усилитель. А если пользователю нужна более высокая динамическая стабильность системы, он должен выбрать неинвертирующий усилитель.

5. Каковы преимущества инвертирующего усилителя по сравнению с неинвертирующим?

Ответ: Инвертирующий усилитель обеспечивает большее усиление, лучшую скорость нарастания и более высокий CMRR, чем неинвертирующий усилитель.

6. Каковы типичные условия работы неинвертирующего усилителя в линейной области?

Ответ: Рассмотрим, Rs является типичным входное сопротивление, Rf является сопротивление обратной связи, Vcc является напряжение насыщения, и Vg это опорное напряжение. Условие для работы в линейной области идеального операционного усилителя будет:

(Rs + Rf) / Rs> | Vcc / vg |

7. Почему виртуальное заземление не применяется к неинвертирующему усилителю?

Ответ: Хотя учащиеся часто задают вопрос, проблема связана с технической ошибкой. Виртуальное заземление — это свойство усилителя, но это не закон, который может быть применен на самом деле. Теперь для неинвертирующего терминала в цепи нет узла, что нехорошо.

8. Почему IP-сопротивление инвертирующего и неинвертирующего opam бесконечно?

Ответ: Входное сопротивление неинвертирующего ОУ бесконечно, но практически, если это значение импеданса увеличивается, тем меньше ток он будет фактически потреблять. Это условие необходимо для того, чтобы операционный усилитель эффективно работал и усиливал слабый сигнал.

9. Почему в неинвертирующем усилителе нет напряжения на резисторе обратной связи?

Ответ: Для повторитель напряжения неинвертирующая схема, нет падения напряжения через инвертирующий вывод и в идеальном случае через резистор не должно проходить тока.

10. Почему значение резисторов обратной связи должно быть больше, чем значение входных резисторов в случае неинвертирующего усилителя OP?

Ответ: Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как [1 + (Rf / Ra)]. Мы можем заметить, что увеличение Rf (сопротивления обратной связи) увеличивает общий коэффициент усиления системы. Вот почему номинал резистора обратной связи лучше, чем значения входного сопротивления.

11. Что произойдет, если я захочу добавить конденсатор положительной обратной связи в неинвертирующий усилитель? Что с шумом и запасом по фазе?

Ответ: Если вы добавите конденсатор положительной обратной связи к неинвертирующему усилителю, схема будет работать как мультивибратор. Значение RC будет контролировать колебания. Запас по шумам и фазе не так важен.

Дополнительные статьи по электронике нажмите сюда

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 при работе с операционными усилителями, мы видим, что:

1. инвертирующий вход находится на виртуальной земле, так как неинвертирующий вход привязан к земле, а
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.0028 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 9.0028 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.

Ознакомьтесь с некоторыми практическими задачами для операционных усилителей на YouTube здесь: Практические задачи для операционных усилителей (Op-Amp) и обязательно ознакомьтесь с другими конфигурациями операционных усилителей, которые мы публикуем здесь, на CircuitBread.

• Операционный усилитель (11)
• Усилитель (6)

Автор:

Джош Бишоп

Интересуясь встраиваемыми системами, туризмом, кулинарией и чтением, Джош получил степень бакалавра электротехники в Университете штата Бойсе. Проработав несколько лет офицером CEC (Seabee) в ВМС США, Джош уволился и в конце концов начал работать над CircuitBread с кучей замечательных людей. В настоящее время Джош живет на юге Айдахо с женой и четырьмя детьми.

Часто задаваемые вопросы по EE

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Неинвертирующий операционный усилитель — Electronics-Lab.com

Введение

Сигнал напряжения, подаваемый на операционный усилитель, может подаваться либо на его неинвертирующий вход (+), либо на инвертирующий вход (-). Эти различные конфигурации известны просто как неинвертирующий операционный усилитель, и инвертирующий операционный усилитель . В этом руководстве мы сосредоточимся на неинвертирующей конфигурации и представим ее детали.

Обзор неинвертирующего операционного усилителя будет дан в первом разделе через концепцию идеального усилителя.

Во втором разделе обсуждаются реальные неинвертирующие конфигурации, демонстрируются уравнения, описывающие усиление и входное/выходное сопротивления.

Наконец, в последнем разделе приведены примеры схем на основе неинвертирующих конфигураций.

Идеальный неинвертирующий операционный усилитель

Цель этого раздела — должным образом продемонстрировать и объяснить идеальные характеристики

неинвертирующая конфигурация , такая как входное/выходное сопротивление и коэффициент усиления. Представление схемы идеального неинвертирующего операционного усилителя приведено на рис. 1 ниже.

Обратите внимание, что символ «∞» подчеркивает тот факт, что данный операционный усилитель следует считать идеальным. Мы настоятельно рекомендуем читателю обратиться к учебнику по основам работы с операционными усилителями в этом разделе.

рис. 1: Идеальная схема неинвертирующего операционного усилителя

В этой идеальной модели входное сопротивление, определяемое вкладом сопротивления, связывающего инвертирующий и неинвертирующий входы (R _i в Рисунок 3 ) и резисторы R ₁ и R ₂ , бесконечно. При этом для идеальной схемы R _i предполагается бесконечным, как следствие, никакие токи не могут поступать на ОУ ни через какой вход из-за наличия разомкнутой цепи.

Это наблюдение также можно обобщить, сказав, что узел, соединяющий инвертирующий вход и сопротивления R ₁ и R ₂ — это виртуальный короткий . По этой же причине весь ток обратной связи через R ₁ (I) также находится через R ₂ .

Для идеальной модели равенство V ₊ =V _– =V _в обеспечивается тем, что дифференциальный сигнал V ₊ -V _– может быть равен только 0, чтобы получить конечный выходной сигнал V _из при умножении на бесконечный коэффициент усиления без обратной связи.

Мы видим ответвления, подключенные к инвертирующему входу, работающему как схема делителя напряжения:

рис. 2: Инвертирующие ветви в виде схемы делителя напряжения

В соответствии с формулой делителя напряжения мы можем выразить инвертирующее напряжение V _– как функцию выходного напряжения и сопротивлений:

eq 1: Формула делителя напряжения для V _–

Так как V _– =V _в , после некоторого упрощения докажем выражение усиления в замкнутом контуре A _CL идеальной неинвертирующей конфигурации:

уравнение 2: усиление в замкнутом контуре идеального неинвертирующего операционного усилителя

Мы можем отметить, что идеальное усиление, представленное в уравнении 2 , является строго положительным и выше 1, что означает, что выходной сигнал усиливается и находится в фазе с входным сигналом .

Реальный неинвертирующий операционный усилитель

В реальной схеме операционного усилителя входное (Z _в ) и выходное (Z _вых ) импедансы не идеализированы и равны соответственно +∞ и 0 Ом. Вместо этого входной импеданс имеет высокое , но конечное значение , выходной импеданс имеет .0146 низкое, но ненулевое значение .

Неинвертирующая конфигурация остается такой же, как и представленная в Рисунок 1 .

рис. 3: Внутренняя эквивалентная схема реального операционного усилителя

Обратите внимание, что Ri и Ro можно описать как соответственно входное и выходное сопротивление операционного усилителя без обратной связи (конфигурация без обратной связи).

Коэффициент усиления с обратной связью

Для неинвертирующей конфигурации Уравнение 1 по-прежнему применяется для V _– , причем имеем V ₊ =V _в . Однако, поскольку от неинвертирующего входа к инвертирующему входу может протекать малый ток, напряжения уже не равны: В ₊ ≠В _– .

Также необходимо напомнить, что входы V ₊ и V _– связаны с выходом через формулу усиления без обратной связи:

eq 3: Формула усиления без обратной связи

Уравнения для V ₊ и V _– можно вводить за Уравнение 3 . После перегруппировки членов «V _out » с одной стороны уравнения и членов «V _in » с другой, мы получаем:

неинвертирующая конфигурация задается уравнением 4 :

уравнение 4: усиление с обратной связью реальной неинвертирующей конфигурации

Для реальной конфигурации усиление зависит не только от номиналов резисторов, но также и от усиления без обратной связи

Интересно отметить, что если мы считаем операционный усилитель идеальным (A _OL →+∞), знаменатель упрощается до одного члена: A _OL R ₂ /(R ₁ +R ₂ ). Как следствие, Уравнение 4 снова упрощается до Уравнение 2 .

Выходное сопротивление

Начнем с предположения о равенстве токов на сопротивлениях: I _R1 = I _{R 2} . Даже если для реальных ОУ на инвертирующий вход поступает небольшой ток утечки, то он на несколько порядков меньше тока обратной связи.

Ток I ₀ через R ₀ (см. рис. 3 ) может быть выражен как функция падения напряжения на R ₀ и того же значения импеданса R ₀ :

Поскольку V _– описывается уравнением 1 , выходной ток I _out может быть выражен как сумма I ₀ и тока, протекающего по ветви обратной связи, определяемой как V _out /(R ₁ +R ₂ ):

Наконец, перестроив уравнение для получения отношения Z _out =V _out /I _out , мы можем записать выражение выходного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации :

eq 5: Выражение выходного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации

Мы можем отметить, что в случае идеального операционного усилителя, то есть когда A _OL →+∞, мы действительно наблюдаем Z _из →0.

Упрощенный вариант выражения Z _из определяется следующим уравнением 6 :

уравнение 6: Упрощенное выражение выходного сопротивления для реальной неинвертирующей конфигурации

Член β известен как коэффициент обратной связи и определяется соотношением Р ₁ /(Р ₁ + Р ₂ ). В этой упрощенной версии мы по-прежнему видим, что Z _из → 0 для идеальной ситуации с операционным усилителем.

Входное сопротивление

Входное сопротивление неинвертирующей конфигурации можно определить соотношением V ₊ /I _в (см. Рисунок 3 ). Для входного контура мы можем записать закон напряжения Кирхгофа, такой как В ₊ -В _через + I _R2 R ₂ = 0 , где I _R2 — ток через резистор R ₉₂ . .

Можно показать, что выражение входного импеданса также может быть записано как функция коэффициента обратной связи:

экв. 7: Выражение входного импеданса для реальной неинвертирующей конфигурации

Опять же, когда идеальная ситуация удовлетворена (A _OL →+∞), мы находим, что Z _в →+∞, как указано в первом разделе.

Примеры неинвертирующих операционных усилителей

Буферные схемы

Наиболее простыми конструкциями для неинвертирующих конфигураций являются буферы, которые были описаны в предыдущем учебном пособии «Строительные блоки операционных усилителей». В этой конфигурации R ₁ =0 и R ₂ →+∞, как мы можем представить в рис. 4 ниже:

рис. 4: Буферная схема

Этот буфер (или повторитель напряжения) имеет единичный коэффициент усиления и не инвертирует выход, что означает, что V _out = V _in . Его высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление очень полезны для согласования нагрузки между цепями и позволяют буферу действовать как идеальный источник напряжения .

Пример

Мы рассматриваем реальную схему неинвертирующей конфигурации, приведенную в Рисунок 5 :

рис. 5: Пример реальной неинвертирующей конфигурации

Резисторы, входное значение и усиление в разомкнутом контуре задаются следующим образом:

• R ₁ =10 кОм
• Ч ₂ =2 кОм
• R _L =1 кОм
• В _в = 1 В
• А _ОЛ =10 ⁵

Прежде всего, мы можем вычислить значение коэффициента усиления с обратной связью A _CL . Используя Уравнение 4 , мы получаем A _CL = 5,99 , а Уравнение 2 дает A _КЛ =6 . Мы можем отметить, что оба значения очень похожи, так как A _OL высокое. Типичные значения A _OL для реальных операционных усилителей находятся в диапазоне от 2×10 ⁴ до 2×10 ⁵ , что достаточно высоко, чтобы всегда учитывать уравнение 2 .

Исходя из этого значения, мы можем просто сказать, что выходное напряжение равно В _выход = А _CL × В _вход = 6 В.

Токи I _R1 (через R ₁ ) и I _{R 2} (через R ₂ ) примерно равны, если считать, что ток утечки на инвертирующем входе намного меньше тока обратной связи. Из-за существующего в узле виртуального короткого замыкания N, V ​​ _N =V _в , и поэтому имеем I _R1 =I _R2 =V _в /R ₂ =0,5 мА.

Поскольку ток I _L через выходную нагрузку равен V _OUT /R _L = 6 мА , мы можем определить выходной ток благодаря текущему закону Кирчоффа: I _OUT = I _L +I _R1 L +I _R1 9029 +I _R1 9029 +I _R1 9029 +I _{R1 L} +I _{R1 L} +I _{R1 L} .