Инвертирующий усилитель: принцип действия, схемы и применение

Выходное напряжение такого усилителя равно сумме входных напряжений с соответствующими весовыми коэффициентами.

Практические рекомендации по расчету инвертирующего усилителя

При проектировании инвертирующего усилителя следует учитывать следующие моменты:

• Выбирайте номиналы резисторов в диапазоне от 1 кОм до 100 кОм
• Для уменьшения шумов используйте прецизионные резисторы с малым ТКС
• Учитывайте входной ток смещения ОУ при выборе R1 и R2
• Для высокочастотных схем минимизируйте паразитные емкости
• При больших коэффициентах усиления учитывайте ограничения по полосе пропускания ОУ

Правильный выбор компонентов и расчет параметров позволит создать инвертирующий усилитель с оптимальными характеристиками для конкретной задачи.

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).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

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

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

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 на ОУ.

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

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

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

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

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

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

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

I_R1 = U_R1/R1 = (4В-0В)/1к = 4мА.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

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

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

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

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

U_R2 = I_R2R2 = 4мА *2к = 8В.

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

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

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

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

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

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

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

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

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

Op Amp Inverting Amplifier — Схема операционного усилителя » Electronics Notes

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя обеспечивает высокую производительность благодаря простоте расчета значений и ряду вариантов питания, связи по переменному току и т.п.

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка по цепям Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр верхних частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе очень проста в проектировании и может быть реализована с очень ограниченным количеством дополнительных электронных компонентов.

В своей простейшей форме инвертирующий усилитель на операционном усилителе требует использования только двух дополнительных резисторов, которые должны быть включены в процесс проектирования электронной схемы. Это делает схему очень простой и легкой в ​​реализации, обеспечивая при этом очень высокий уровень производительности.

Этот инвертирующий усилитель также можно использовать в качестве смесителя с виртуальной землей или суммирующего усилителя, но также стоит отметить, что входное сопротивление этой схемы операционного усилителя не такое высокое, как у инвертирующего формата. В качестве суммирующего усилителя эта схема операционного усилителя находит множество применений в звуковых микшерах, а также во многих других электронных схемах, где необходимо суммировать напряжения.

Для многих людей инвертирующий усилитель на операционном усилителе является их любимой формой схемы усилителя с простым процессом проектирования схемы и высоким уровнем производительности.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Базовая схема схемы инвертирующего операционного усилителя довольно проста и требует всего несколько электронных компонентов помимо самой интегральной схемы операционного усилителя.

Очевидно, что схема основана на операционном усилителе, который представляет собой дифференциальный усилитель с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим.

Цепь состоит из резистора от входной клеммы к инвертирующему входу схемы и другого резистора, подключенного от выхода к инвертирующему входу операционного усилителя. Неинвертирующий вход подключается к земле.

В этой схеме операционного усилителя обратная связь определяется резистором от выхода к инвертирующему входу и общим сопротивлением от инвертирующего входа до земли, т. е. входным резистором, а также сопротивлением источника сигнала. .

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Одной из основных особенностей схемы инвертирующего усилителя является общий коэффициент усиления, который он производит. Это довольно легко вычислить.

Определить коэффициент усиления этой схемы операционного усилителя просто. Коэффициент усиления по напряжению Av фактически представляет собой отношение выходного напряжения (Vout) к входному напряжению (Vin), т. е. во сколько раз выходное напряжение больше входного.

Также легко определить уравнение для коэффициента усиления по напряжению. Поскольку вход операционного усилителя не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков. Используя закон Ома Vout /R2 = -Vin/R1. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять равным:

Ср=-R2R1

Где:
    Av = коэффициент усиления по напряжению
    R2 — номинал резистора обратной связи
    R1 — номинал входного резистора

Например, усилитель, требующий коэффициента усиления в десять раз, можно построить, сделав сопротивление R2 47 кОм и R1 4,7 кОм, поскольку отношение между двумя резисторами равно десяти. Точно такой же коэффициент усиления можно получить, используя резистор 33 кОм для R2 и резистор 3,3 кОм для R1.

Хотя для R1 и R2 можно выбрать почти любой набор значений, ключ к фактическому выбору часто зависит от других аспектов, таких как входное сопротивление, как мы увидим ниже, а также от сохранения значений резисторов в разумных пределах, как подробно описано. в разделе советов и советов ниже.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

Часто необходимо знать входное сопротивление цепи, в данном случае инвертирующего усилителя. Схема с низким входным импедансом может нагрузить выход предыдущей схемы и может привести к таким эффектам, как изменение частотной характеристики, если конденсаторы связи невелики.

Определить входное сопротивление схемы инвертирующего операционного усилителя очень просто. Это просто номинал входного резистора R1.

Легко объяснить, почему входное сопротивление схемы усилителя равно R1.

Неинвертирующий вход соединен с землей, поэтому он правильно имеет потенциал земли.

Коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, это означает, что для выходов в пределах напряжения шины, как для аналогового усилителя, разница напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами должна быть очень небольшой. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, инвертирующий вход должен быть практически заземлен. Именно по этой причине схему иногда называют усилителем виртуальной земли.

Советы по проектированию инвертирующего усилителя на операционном усилителе

Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя очень прост в разработке, но, как и в случае с любой другой конструкцией, здесь есть несколько советов, которые могут оказаться полезными.

• Не делайте R2 слишком большим:   Несмотря на то, что входное сопротивление операционных усилителей велико, в любой схеме операционных усилителей всегда лучше убедиться, что значение R2 не выбрано слишком высоким, в противном случае другая схема эффекты могут нагрузить его, и значение усиления может не соответствовать ожидаемому. Часто разумно держать значение R2 ниже 100 кОм в качестве грубого эмпирического правила.
• Не занижайте значение R1:   Также разумно не занижать значение R1 в этой схеме операционного усилителя. Помните, что он определяет входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя. Если входная цепь соединена по переменному току, емкость конденсатора последовательной связи необходимо выбрать таким образом, чтобы его реактивное сопротивление было достаточно низким на самых низких необходимых частотах. Уменьшение значения R1 увеличивает значение требуемого конденсатора. Кроме того, слишком низкое значение R1 увеличивает нагрузку на предыдущий этап.
• Помните о пропускной способности:   Хотя операционные усилители имеют высокое значение коэффициента усиления, оно начинает падать с увеличением частоты. Даже при наличии обратной связи в инвертирующем усилителе необходимо учитывать произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. Не пытайтесь получить слишком большое усиление от схемы однокаскадного операционного усилителя, иначе может пострадать частотная характеристика.

Это только три совета по схемотехнике инвертирующего усилителя на основе операционных усилителей, которые оказались полезными на протяжении многих лет. Основная идея состоит в том, чтобы непредвзято относиться к вещам, которые могут произойти в цепи при необычных обстоятельствах. Это также помогает не слишком растягивать схемотехнику, ожидая слишком многого от одного каскада. Учет советов и этих моментов при проектировании схемы может помочь избежать проблем в дальнейшем.

Инвертирующий усилитель с несимметричным входом

Обычно схема операционного усилителя работает от дифференциальных источников питания, т.е. +12В и -12В. Это вполне приемлемо во многих приложениях, но во многих электронных схемах может быть доступен только один источник питания.

В этих условиях относительно легко реализовать так называемую несимметричную версию схемы инвертирующего усилителя на операционном усилителе — в ней используется только один источник питания и земля.

Версия схемы операционного усилителя с одним источником питания для схемы инвертирующего усилителя использует больше компонентов по сравнению с версией с двумя шинами, но конструкция элементов усилителя остается прежней.

Фактически для неинвертирующего входа создается промежуточная точка. Таким образом, операционный усилитель видит те же условия, как если бы он работал от двойного источника питания.

Несколько замечаний по процессу проектирования электронных схем:

• Точка половинного питания:   Точка с половинным напряжением питания устанавливается для подключения к неинвертирующему входу. Это создается цепочкой делителя потенциала, состоящей из резисторов R3 и R4. Ввиду высокого входного импеданса операционного усилителя можно использовать значения около 47 кОм — ток, требуемый на входе операционного усилителя, будет небольшим, и эти значения будут хороши для большинства операционных усилителей. Если значения выбраны слишком высокими, импеданс инвертирующего входа может компенсировать напряжение.
• Развязка:   Для питания половинной шины требуется развязка с землей, поскольку инвертирующий вход должен выступать в качестве сигнальной земли, а также поддерживать половинное напряжение питания. Емкость конденсатора C1 выбирается таким образом, чтобы его импеданс был таким же, как сопротивление резисторов R3 и R4, включенных параллельно на самой низкой требуемой частоте — это дает точку -3 дБ на этой частоте. Если ниже этого значения требуется абсолютно ровная характеристика, необходимо использовать конденсатор большей емкости.

  При наличии резисторов R3 и R4 с относительно высоким номиналом номинал конденсатора не обязательно должен быть слишком высоким, чтобы можно было получить низкое значение для точки излома на низкой частоте.

• Выбор напряжения половинной шины:  Выбирается напряжение половинной шины, близкое к 50% напряжения шины. Таким образом, схема обеспечивает максимальное колебание выходного напряжения вверх и вниз без ограничения.

  Необходимо позаботиться о том, чтобы общее напряжение на шине питания было достаточным для правильной работы операционного усилителя. Обратитесь к техническому описанию, чтобы убедиться, что выбранное значение на шине приемлемо для выбранного операционного усилителя.

• Соединение цепи:   Для инвертирующего усилителя на операционном усилителе с шиной напряжения с односторонней шиной требуются входы для связи по переменному току. Конденсаторы C2 и C3 следует выбирать так, чтобы они пропускали самые низкие частоты сигнала без чрезмерного затухания.

  Эти конденсаторы следует выбирать так, чтобы их импеданс соответствовал импедансу цепи на самой низкой требуемой частоте. Это делает эту точку точкой -3 дБ для каждой из этих цепей.

  Помните, что входной импеданс цепи может быть равным R2, при условии, что цепь управляется источником с низким импедансом. Для выходной цепи можно предположить, что операционный усилитель имеет нулевой импеданс для этого расчета, и, следовательно, сопротивление или импеданс выходной цепи соответствует предполагаемой нагрузке.

Вариант схемы операционного усилителя с несимметричной шиной находит применение там, где доступна только одна шина питания. Часто схемы, работающие от батарей, имеют только один источник питания, и это решение часто используется в этих приложениях.

Некоторые операционные усилители предназначены для работы в однотактном режиме, но этот подход можно использовать для имеющихся операционных усилителей.

Операционный усилитель является дифференциальным усилителем, поэтому имеется два входа: для инвертирующего усилителя отрицательная обратная связь с выхода и входной сигнал подаются на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход заземляется.

Схема операционного усилителя для инвертирующего усилителя имеет множество преимуществ, включая относительно низкий входной импеданс, низкий выходной импеданс и требуемый уровень усиления (в пределах ограничений операционного усилителя и коэффициента усиления, требуемого от общей схемы. Это также требует очень мало электронных компонентов для создания высокопроизводительной схемы.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
   Вернуться в меню проектирования схем . . .

Схема, конфигурация, усиление и практические примеры

Операционный усилитель (операционный усилитель)  является основой аналоговой электроники. Операционный усилитель представляет собой электронный компонент со связью по постоянному току, который усиливает напряжение с дифференциального входа с помощью резисторной обратной связи. Операционные усилители популярны благодаря своей универсальности, поскольку их можно настраивать разными способами и использовать в различных аспектах. Схема операционного усилителя состоит из нескольких переменных, таких как полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления и т. д. Различные классы операционных усилителей имеют разные характеристики в зависимости от этих переменных. Существует множество операционных усилителей, доступных в различных корпусах интегральных схем (ИС), некоторые операционные усилители имеют два или более операционных усилителя в одном корпусе. LM358, LM741, LM386 — наиболее часто используемые микросхемы операционных усилителей. Вы можете узнать больше об операционных усилителях, следуя нашему разделу «Схемы операционных усилителей».

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

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

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

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

Давайте посмотрим на схему подключения для конфигурации инвертирующего операционного усилителя. . Резистор R2 является резистором входного сигнала, а резистор R1 является резистором обратной связи. Эта схема обратной связи заставляет дифференциальное входное напряжение почти равняться 90 159 нулю 90 160 .

Обратная связь подключается к отрицательной клемме операционного усилителя, а положительная клемма подключается к земле. Потенциал напряжения на инвертирующем входе такой же, как потенциал напряжения на неинвертирующем входе. Итак, на неинвертирующем входе создается точка суммирования Виртуальной Земли, которая находится в том же потенциале, что и земля или Земля. Операционный усилитель будет действовать как дифференциальный усилитель .

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

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

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

  Усиление (Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)  

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

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

  Усиление = -20 и Rin = R2 = 1k.  
  -20 = -(R1/1к) 
  R1 = 20k