Как работает инвертирующий операционный усилитель. Какие схемы используются для создания инвертирующих усилителей. Где применяются инвертирующие ОУ в электронике. Какие преимущества и недостатки у инвертирующих усилителей.
Принцип работы инвертирующего операционного усилителя
Инвертирующий операционный усилитель — это схема на основе ОУ, которая инвертирует и усиливает входной сигнал. Основные особенности работы:
- Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через резистор R1
- Неинвертирующий вход заземлен
- Выход соединен с инвертирующим входом через резистор обратной связи Rf
- Коэффициент усиления определяется отношением Rf/R1
- Выходной сигнал инвертирован по отношению к входному
Как работает инвертирование сигнала в такой схеме? Когда на инвертирующий вход подается положительное напряжение, ток через транзистор внутри ОУ увеличивается, что приводит к снижению выходного напряжения. Таким образом, положительный входной сигнал преобразуется в отрицательный выходной.
Основные схемы инвертирующих усилителей
Существует несколько базовых схем инвертирующих усилителей на ОУ:
1. Простой инвертирующий усилитель
Классическая схема с двумя резисторами — входным R1 и обратной связи Rf. Коэффициент усиления: K = -Rf/R1.
2. Инвертирующий сумматор
Схема с несколькими входными резисторами, позволяющая суммировать и инвертировать несколько сигналов.
3. Интегратор
Вместо резистора обратной связи используется конденсатор. Выполняет математическое интегрирование входного сигнала.
4. Дифференциатор
Конденсатор ставится на входе, а в цепи ОС — резистор. Выполняет дифференцирование сигнала.
Области применения инвертирующих ОУ
Инвертирующие усилители на ОУ широко используются в различных областях электроники:
- Аудиотехника — для инвертирования фазы сигнала
- Измерительная техника — в различных преобразователях
- Системы управления — для инвертирования сигналов ошибки
- Аналоговые вычислительные устройства
- Активные фильтры
- Генераторы сигналов
Особенно часто инвертирующие ОУ применяются в схемах обработки аналоговых сигналов, где требуется инвертировать фазу или полярность сигнала.
Преимущества и недостатки инвертирующих усилителей
Основные достоинства инвертирующих ОУ:
- Простота схемы
- Легкость задания коэффициента усиления
- Низкий входной импеданс
- Широкая полоса пропускания
К недостаткам можно отнести:
- Инвертирование сигнала (не всегда нужно)
- Меньший, чем у неинвертирующих ОУ, входной импеданс
- Необходимость согласования входных токов для минимизации смещения нуля
Расчет параметров инвертирующего усилителя
Для расчета основных параметров инвертирующего ОУ используются следующие формулы:
- Коэффициент усиления: K = -Rf/R1
- Входное сопротивление: Rвх = R1
- Выходное сопротивление: Rвых = Rf/(1+K*β), где β — коэффициент обратной связи
- Полоса пропускания: fв = fТ/K, где fТ — частота единичного усиления ОУ
При проектировании важно учитывать реальные параметры ОУ — входные токи, напряжение смещения, погрешности резисторов и т.д.
Особенности работы инвертирующего ОУ на высоких частотах
На высоких частотах в работе инвертирующего усилителя проявляются следующие эффекты:
- Уменьшение коэффициента усиления из-за частотных свойств ОУ
- Рост фазового сдвига между входом и выходом
- Возможность самовозбуждения при большом усилении
Для обеспечения устойчивой работы на высоких частотах применяют частотную коррекцию — добавляют корректирующие RC-цепи в цепь обратной связи.
Применение инвертирующих ОУ в активных фильтрах
Инвертирующие усилители широко используются при построении активных фильтров различных типов:
- Фильтры нижних частот
- Фильтры верхних частот
- Полосовые фильтры
- Режекторные фильтры
Преимущества активных фильтров на ОУ — возможность получения высокой добротности, малые габариты, отсутствие катушек индуктивности.
Практические схемы на инвертирующих ОУ
Рассмотрим несколько практических схем на основе инвертирующих операционных усилителей:
1. Преобразователь ток-напряжение
Схема для преобразования входного тока в пропорциональное выходное напряжение. Часто используется с фотодиодами.
2. Активный выпрямитель
Схема прецизионного выпрямителя для выпрямления малых сигналов переменного тока.
3. Генератор треугольных колебаний
Схема генератора треугольного сигнала на основе интегратора и компаратора.
Эти и многие другие схемы демонстрируют широкие возможности применения инвертирующих операционных усилителей в различных областях электроники.
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 напряженияОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Входной резистор и резистор цепи обратной связи являются теми элементами схемы, которые делают усиление возможным.
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.
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.
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 с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
1 марта 2019
телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки.
Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав
Компенсированные усилители являются устойчивыми в схемах с коэффициентом усиления, равным единице и больше. Но ведь – не меньше единицы?, А что тогда делать со схемами, подобными той, что изображена на рисунке 43?
Рис. 43. Пример инвертирующего аттенюатора
Если говорить коротко, данный инвертирующий аттенюатор стабилен! Вы хотите знать, почему? Есть несколько способов прояснить ситуацию, и объяснение «на пальцах» может внести дополнительную ясность в общую картину проблем с устойчивостью.
Рассмотрим пример. Если при G = -0,1 схема была бы неустойчивой, то при более низком коэффициенте усиления все было бы еще хуже, не так ли? Рассмотрим схему с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи, показанную на рисунке 44. Теперь предположим наличие тока утечки по поверхности печатной платы, для чего добавим входной резистор R1 = 10 ГОм. Этот паразитный входной сигнал инвертируется и усиливается с очень малым коэффициентом усиления. Схема будет неустойчивой? Конечно, нет! Это по-прежнему всего лишь буфер с единичным усилением, с заземленным входом. Итак, схема устойчива.
Рис. 44. Схема с единичным усилением и с резистором 1 Ом в цепи обратной связи является устойчивой
Представьте, что устойчивость операционного усилителя зависит от того, какая часть выходного сигнала попадает обратно на инвертирующий вход. Эксперты по устойчивости используют для этого коэффициент обратной связи β. При единичном усилении 100% выходного напряжения возвращается на инвертирующий вход, поэтому β равно единице.
Пример на рисунке 44, по существу, также имеет значение β, близкое к единице, так как почти весь выходной сигнал подается обратно на инвертирующий вход.
На рисунке 45а показан инвертирующий усилитель, а на рисунке 45б – неинвертирующий. Цепи обратной связи для них одинаковы, только входной сигнал подается на разные входы. Обе схемы возвращают равную часть выходного сигнала на инвертирующий вход, поэтому запас устойчивости для них одинаков. Значение β то же самое.
Рис. 45. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители имеют одинаковый коэффициент обратной связи и равный запас устойчивости, но входной сигнал подается на разные входы
Для ОУ также используют термин «коэффициент усиления шума» (noise gain) – значение коэффициента, с которым шум напряжения питания ОУ усиливается и подается на выход. Это еще один способ количественно оценить возникающую обратную связь. Схема усилителя, подверженная колебаниям или нестабильности, дополнительно возбуждается собственным внутренним шумом, который усиливается и подается обратно на инвертирующий вход.
Инвертирующий усилитель, изображенный на рисунке 45а, имеет такой же коэффициент усиления шума и значение β, что и его неинвертирующий аналог, а значит, запас устойчивости у них будет одинаковым, хотя коэффициент усиления входного сигнала для них разный.
Существуют ли схемы с коэффициентом усиления шума меньше единицы? Может ли β быть больше единицы? Это возможно, когда коэффициент усиления включен в цепь обратной связи. Данная проблема может возникать в многокаскадных схемах с более крупным контуром обратной связи, например, в системах управления. Это также происходит, когда транзистор (в схеме с общим эмиттером или общим истоком) включается в цепь обратной связи ОУ. Эти схемы могут иметь большие проблемы с устойчивостью.
Конечно, существуют другие возможные причины неустойчивости инвертирующего усилителя. Емкостная нагрузка, чрезмерно высокие значения сопротивлений или слишком большая емкость на инвертирующем входе могут вызвать нестабильность, но это не связано с инвертирующей конфигурацией.
Тем не менее, заблуждения об опасностях инвертирующей схемы по-прежнему сохраняются. Пусть они не заботят вас. Промоделируйте свою схему в среде TINA-TI или в другой программе SPICE-моделирования, чтобы развеять все опасения. Если же у вас остаются сомнения или нерешенные проблемы, обратитесь к экспертам на инженерных форумах.
Оригинал статьи
- Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
- Что нужно знать о входах rail-to-rail
- Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
- Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
- SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
- Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
- Входной импеданс против входного тока смещения
- Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
- Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения.
Действительно ли они нужны?
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
- Приручаем нестабильный ОУ
- Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
- SPICE-моделирование устойчивости ОУ
- Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
- Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
Действительно ли они нужны?Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
•••
Товары
| Наименование | |
|---|---|
| ADS1115EVM (TI)
| |
| ADS1112 (TI)
| |
| ADS1112IDGSTG4 (TI)
| |
| ADS1112IDRCTG4 (TI)
| |
| ADS1113IDGST (TI)
| |
| ADS1114IDGS (TI)
| |
| ADS1114IRUGT (TI)
| |
| ADS1601IPFBRG4 (TI)
| |
| ADS1602IPFBTG4 (TI)
| |
| ADS1605IPAPRG4 (TI)
| |
| ADS1606EVM (TI)
| |
| ADS1606IPAPTG4 (TI)
| |
| ADS8382IBRHPTG4 (TI)
| |
| ADS8329IPWRG4 (TI)
| |
| ADS8329IRSATG4 (TI)
| |
| ADS8330IBPWR (TI)
| |
| ADS8330IBRSAT (TI)
| |
| ADS8330IPWR (TI)
|
org/Product» data-pid=»E28Y»>
org/Product» data-pid=»E2gj»>
org/Product» data-pid=»EwZ3″>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. выход усилителя соединить обратно с его входом.
[адсенс1]
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.
[адсенс2]
Примечание:
В схеме инвертирующего усилителя, если оба резистора R1 и Rf имеют одинаковую величину Rf = R1, то 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) Выходное напряжение VOUT
V OUT = — (R F / R 1 ) * V в
= — (100Kω / 10K) x.
1 V
V OUT = — 10 В
(III) Ток нагрузки IL:
I L = V OUT / R L
= 10 В / 25Kω
i L = 0,4 мА
Трансимпедансный усилитель
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
, т.
е. V OUT / I P = -R F
. 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.
Краткий обзор инвертирующего усилителя
- Схема инвертирующего усилителя использует отрицательную обратную связь и создает инвертированный выходной сигнал по отношению к входному. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, таким образом, указывается как отрицательный.
- Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя не зависит от коэффициента усиления без обратной связи операционного усилителя, который очень велик.
- Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя зависит от номиналов используемых резисторов, поэтому коэффициентом усиления можно точно управлять, выбирая соответствующие значения R1 и Rf.
- Если Rf > R1, усиление будет больше 1.
- Если Rf < R1, усиление будет меньше 1.
- Если Rf = R1, коэффициент усиления будет равен единице.
- Таким образом, выходное напряжение может быть больше, меньше или равно входному напряжению по величине и сдвинуто по фазе на 180o.
