Inverterande operationsförstärkare

Op-Amp (Operational Amplifier) är ryggraden i Analog elektronik. En operationsförstärkare är en DC-kopplad elektronisk komponent som förstärker spänningen från en differentiell ingång med hjälp av motståndsåterkoppling. Op-Amps är populära för sin mångsidighet eftersom de kan konfigureras på många sätt och kan användas i olika aspekter. En op-amp-krets består av få variabler som bandbredd, ingång och utgångsimpedans, förstärkningsmarginal etc. Olika typer av förstärkare har olika specifikationer beroende på dessa variabler. Det finns gott om op-förstärkare tillgängliga i olika integrerade kretspaket (IC), vissa OP-amp har två eller flera op-förstärkare i ett enda paket. LM358, LM741, LM386 är några vanliga Op-amp IC: er. Du kan lära dig mer om Op-förstärkare genom att följa vårt avsnitt med Op-amp-kretsar.

En op-amp har två differentiella ingångsstift och en utgångsstift tillsammans med strömuttag. Dessa två differentiella ingångsstift är inverterande stift eller negativa och icke-inverterande stift eller positiva. En op-amp förstärker skillnaden i spänning mellan dessa två ingångsstift och ger den förstärkta utgången över sin Vout eller utgångsstift.

Beroende på ingångstyp kan op-amp klassificeras som inverterande förstärkare eller icke-inverterande förstärkare. I föregående icke-inverterande op-amp-handledning har vi sett hur man använder förstärkaren i en icke-inverterande konfiguration. I den här handledningen lär vi oss hur man använder op-amp i inverterande konfiguration.

Invertera konfiguration av operationsförstärkare

Det kallas inverterande förstärkare eftersom op-förstärkaren ändrar fasvinkeln för utsignalen exakt 180 grader ur fas i förhållande till insignalen. Samma som tidigare använder vi två externa motstånd för att skapa återkopplingskrets och skapa en sluten krets över förstärkaren.

I den icke-inverterande konfigurationen gav vi positiv feedback över förstärkaren, men för inverterande konfiguration producerar vi negativ feedback över op-amp-kretsen.

Låt oss se anslutningsdiagrammet för att invertera op-amp-konfiguration

I ovanstående inverterande op-amp kan vi se att R1 och R2 ger nödvändig feedback över op-amp-kretsen. Den R2 Motstånd är signalen ingångsmotståndet, och R1 motståndet är återkopplingsmotståndet. Denna återkopplingskrets tvingar differentiell ingångsspänning till nästan noll.

Återkopplingen är ansluten över op-förstärkarens negativa terminal och den positiva terminalen är ansluten över marken. Spänningspotentialen över inverterande ingång är densamma som spänningspotentialen för icke-inverterande ingång. Så över den icke-inverterande ingången skapas en Virtual Earth-summeringspunkt, som har samma potential som marken eller jorden. Op-amp fungerar som en differentiell förstärkare.

Så i fall av inverterande op-amp, finns det inga strömflöden till ingångsterminalen, också är ingångsspänningen lika med återkopplingsspänningen över två motstånd eftersom de båda är gemensamma virtuella jordkällor. På grund av den virtuella marken är ingångsmotståndet för op-amp lika med ingångsmotståndet för op-amp som är R2. Denna R2 har en relation med förstärkt sluten slinga och förstärkningen kan ställas in av förhållandet mellan de yttre motstånden som används som återkoppling.

Eftersom det inte finns något strömflöde i ingångsterminalen och den differentiella ingångsspänningen är noll, kan vi beräkna den slutna slingans förstärkning av op amp. Lär dig mer om Op-amp consturction och dess funktion genom att följa länken.

Vinst av inverterande Op-amp

I bilden ovan visas två motstånd R2 och R1, vilka är spänningsdelarens återkopplingsmotstånd som används tillsammans med inverterande op-amp. R1 är återkopplingsmotståndet (Rf) och R2 är ingångsmotståndet (Rin). Om vi beräknar strömmen som strömmar genom motståndet då-

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

Eftersom Dout är mittpunkten för delaren, så kan vi dra slutsatsen

Som vi beskrev tidigare är återkopplingsspänningen 0, Dout = 0. på grund av den virtuella marken eller samma nodsammanfattningspunkt.

Så, den inverterande förstärkarformeln för sluten kretsförstärkning kommer att vara

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

Så från denna formel får vi någon av de fyra variablerna när de andra tre variablerna är tillgängliga. Op-amp Gain-kalkylatorn kan användas för att beräkna förstärkningen av en inverterande op-amp.

Som vi kan se ett negativt tecken i formeln kommer utgången att vara 180 grader ur fas i motsats till insignalens fas.

Praktiskt exempel på inverterande förstärkare

I bilden ovan visas en op-amp-konfiguration, där två återkopplingsmotstånd ger nödvändig feedback i op-amp. Motståndet R2 som är ingångsmotståndet och R1 är återkopplingsmotståndet. Ingångsmotståndet R2 som har ett motståndsvärde 1K ohm och återkopplingsmotståndet R1 har ett motståndsvärde på 10k ohm. Vi beräknar inverteringsförstärkningen för op-amp. Återkopplingen ges i den negativa terminalen och den positiva terminalen är ansluten till jord.

Formeln för inverterande förstärkning av op-amp-kretsen-

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

I ovanstående krets Rf = R1 = 10k och Rin = R2 = 1k

Så, Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Gain (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Så förstärkningen kommer att vara -10 gånger och utgången kommer att vara 180 grader ur fas.

Om vi nu ökar förstärkningen av op-amp till -20 gånger, vad blir återkopplingsmotståndsvärdet om ingångsmotståndet kommer att vara detsamma? Så, Förstärkning = -20 och Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Så om vi ökar 10k-värdet till 20k kommer förstärkningen av op-amp att vara -20 gånger.

Vi kan öka förstärkningen av op-amp genom att ändra förhållandet mellan motstånd, men det är inte tillrådligt att använda lägre motstånd som Rin eller R2. När motståndets lägre värde sänker ingångsimpedansen och skapar en belastning på insignalen. I typiska fall används värde från 4,7k till 10k för ingångsmotståndet.

När hög förstärkning kräver och vi bör säkerställa hög impedans i ingången måste vi öka värdet på återkopplingsmotstånd. Men det är inte heller tillrådligt att använda motstånd med mycket högt värde över Rf. Högre återkopplingsmotstånd ger instabil förstärkningsmarginal och kan inte vara ett genomförbart val för begränsade bandbreddsrelaterade operationer. Typiskt värde 100k eller lite mer än det som används i återkopplingsmotståndet.

Vi måste också kontrollera op-amp-kretsens bandbredd för tillförlitlig drift vid hög förstärkning.

Summing Amplifier eller Op Amp Adder Circuit

En inverterande op-förstärkare kan användas på olika ställen som i Op amp Summing Amplifier. En viktig tillämpning av inverterande op-amp är summeringsförstärkare eller virtuell jordblandare.

I bilden ovan visas en virtuell jordblandare eller summeringsförstärkare där en inverterad op-amp som blandar flera olika signaler över sin inverterande terminal. En inverterande förstärkaringång är praktiskt taget på jordpotential vilket ger en utmärkt mixerrelaterad applikation i ljudblandningsrelaterat arbete.

Som vi kan se läggs olika signaler samman över den negativa terminalen med olika ingångsmotstånd. Det finns ingen gräns för antalet olika signalingångar som kan läggas till. Förstärkningen för varje annan signalport bestäms av förhållandet mellan återkopplingsmotståndet R2 och ingångsmotståndet för den specifika kanalen.

Lär dig också mer om applikationer av op-amp genom att följa olika op-amp-baserade kretsar. Denna inverterande op-amp-konfiguration används också i olika filter som aktivt lågpassfilter eller aktivt högpassfilter.

Trans-impedansförstärkarkrets

En annan användning av Op amp-inverterande förstärkare använder förstärkaren som Trans-impedansförstärkare.

I en sådan krets omvandlar op-amp mycket låg ingångsström till motsvarande utspänning. Så, en transimpedansförstärkare omvandlar ström till spänning.

Den kan konvertera strömmen från fotodiod, accelerometrar eller andra sensorer som producerar låg ström och med hjälp av trans-impedansförstärkaren kan strömmen omvandlas till en spänning.

I ovanstående bild används en inverterad op-amp för att göra Trans-impedansförstärkare som omvandlar strömmen från fotodioden till en spänning. Förstärkaren ger låg impedans över fotodioden och skapar isolering från op-amp utgångsspänningen.

I ovanstående krets används endast ett återkopplingsmotstånd. R1 är det högvärdiga återkopplingsmotståndet. Vi kan ändra förstärkningen genom att ändra detta R1-motståndsvärde. Den höga förstärkningen hos op-amp använder ett stabilt tillstånd där fotodiodströmmen är lika med återkopplingsströmmen genom motståndet R1.

Eftersom vi inte tillhandahåller någon extern förspänning över fotodioden är fotodiodens ingångsspänning mycket låg, vilket ger stor spänningsförstärkning utan någon utgående förskjutningsspänning. Fotodiodens ström kommer att konverteras till hög utspänning.

Andra tillämpningar av inverterande op-amp är -

Fasväxlare
Integrator
I signalbalansrelaterade verk
Linjär RF-mixer
Olika sensorer använder inverterande op-amp för utgången.