Omkerende operationele versterker

Op-Amp (Operational Amplifier) is de ruggengraat van analoge elektronica. Een operationele versterker is een DC-gekoppelde elektronische component die de spanning van een differentiële ingang versterkt met behulp van weerstandsterugkoppeling. Op-Amps zijn populair vanwege hun veelzijdigheid, omdat ze op veel manieren kunnen worden geconfigureerd en in verschillende aspecten kunnen worden gebruikt. Een opamp-schakeling bestaat uit enkele variabelen zoals bandbreedte, ingangs- en uitgangsimpedantie, versterkingsmarge enz. Verschillende klassen van opamps hebben verschillende specificaties, afhankelijk van die variabelen. Er zijn tal van op-amps beschikbaar in verschillende IC-pakketten (Integrated Circuit), sommige op-amp-ic's hebben twee of meer op-amps in een enkel pakket. LM358, LM741, LM386 zijn enkele veelgebruikte Op-amp IC's. U kunt meer leren over op-amps door onze sectie Op-amp-circuits te volgen.

Een op-amp heeft twee differentiële ingangspennen en een uitgangspen samen met stroompennen. Die twee differentiële ingangspennen zijn inverterende pin of negatieve en niet-inverterende pin of positief. Een op-amp versterkt het verschil in spanning tussen deze twee ingangspennen en levert de versterkte uitgang over zijn Vout of uitgangspen.

Afhankelijk van het type ingang, kan op-amp worden geclassificeerd als inverterende versterker of niet-inverterende versterker. In de vorige niet-inverterende op-amp-zelfstudie hebben we gezien hoe de versterker in een niet-inverterende configuratie kan worden gebruikt. In deze tutorial zullen we leren hoe we op-amp kunnen gebruiken in een inverterende configuratie.

Operationele versterkerconfiguratie omkeren

Het wordt omkerende versterker genoemd omdat de op-amp de fasehoek van het uitgangssignaal precies 180 graden uit fase verandert ten opzichte van het ingangssignaal. Hetzelfde als voorheen, we gebruiken twee externe weerstanden om een feedbackcircuit te creëren en een gesloten circuit over de versterker te maken.

In de niet-inverterende configuratie gaven we positieve feedback over de versterker, maar voor inverterende configuratie produceren we negatieve feedback over het op-amp-circuit.

Laten we het aansluitschema bekijken voor het omkeren van op-amp-configuratie

In de bovenstaande inverterende op-amp kunnen we zien dat R1 en R2 de nodige feedback geven over het op-amp-circuit. De R2- weerstand is de signaalingangsweerstand en de R1- weerstand is de feedbackweerstand. Dit feedbackcircuit dwingt de differentiële ingangsspanning tot bijna nul.

De feedback is verbonden via de negatieve pool van de op-amp en de positieve terminal is verbonden met de aarde. De spanningspotentiaal over inverterende ingang is hetzelfde als de spanningspotentiaal van niet-inverterende ingang. Dus over de niet-inverterende ingang wordt een virtueel aarde-optelpunt gecreëerd, dat zich in hetzelfde potentieel bevindt als de aarde of aarde. De op-amp werkt als een differentiële versterker.

Dus in het geval van omkerende op-amp, stroomt er geen stroom naar de ingangsklem, ook is de ingangsspanning gelijk aan de feedbackspanning over twee weerstanden, aangezien ze allebei een gemeenschappelijke virtuele aardingsbron zijn. Vanwege de virtuele aarde is de ingangsweerstand van de op-amp gelijk aan de ingangsweerstand van de op-amp, die R2 is. Deze R2 heeft een relatie met een gesloten lusversterking en de versterking kan worden ingesteld door de verhouding van de externe weerstanden die als feedback worden gebruikt.

Omdat er geen stroom vloeit in de ingangsklem en de differentiële ingangsspanning nul is, kunnen we de gesloten lusversterking van opamp berekenen. Lees meer over Op-amp consturction en zijn werking door de link te volgen.

Winst van het omkeren van Op-amp

In de bovenstaande afbeelding worden twee weerstanden R2 en R1 getoond, dit zijn de feedbackweerstanden van de spanningsdeler die worden gebruikt in combinatie met een inverterende op-amp. R1 is de feedbackweerstand (Rf) en R2 is de ingangsweerstand (Rin). Als we de stroom die door de weerstand vloeit, berekenen,

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

Omdat de Dout het middelpunt van de scheidingslijn is, kunnen we concluderen

Zoals we eerder hebben beschreven, is vanwege de virtuele aarde of hetzelfde sommeringspunt van het knooppunt de feedbackspanning 0, Dout = 0. Dus,

Dus de inverterende versterkerformule voor versterking met gesloten lus zal zijn

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

Dus uit deze formule halen we een van de vier variabelen wanneer de andere drie variabelen beschikbaar zijn. Op-amp Gain-calculator kan worden gebruikt om de versterking van een inverterende op-amp te berekenen.

Omdat we een negatief teken in de formule kunnen zien, is de uitvoer 180 graden uit fase in tegenstelling tot de fase van het ingangssignaal.

Praktisch voorbeeld van omkerende versterker

In de bovenstaande afbeelding wordt een op-amp-configuratie getoond, waarbij twee feedbackweerstanden de nodige feedback geven in de op-amp. De weerstand R2 is de ingangsweerstand en R1 is de terugkoppelweerstand. De ingangsweerstand R2 heeft een weerstandswaarde van 1K ohm en de terugkoppelweerstand R1 heeft een weerstandswaarde van 10k ohm. We zullen de inverterende versterking van de op-amp berekenen. De feedback wordt geleverd in de negatieve pool en de positieve pool is verbonden met aarde.

De formule voor het omkeren van de versterking van het op-amp-circuit-

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

In het bovenstaande circuit Rf = R1 = 10k en Rin = R2 = 1k

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

De versterking is dus -10 keer en de uitvoer is 180 graden uit fase.

Als we nu de versterking van de op-amp verhogen tot -20 keer, wat is dan de waarde van de feedbackweerstand als de ingangsweerstand hetzelfde zal zijn? Zo, Winst = -20 en Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Dus als we de 10k-waarde verhogen naar 20k, zal de versterking van de op-amp -20 keer zijn.

We kunnen de versterking van de op-amp vergroten door de verhouding van de weerstanden te veranderen, maar het is niet aan te raden om een lagere weerstand te gebruiken als Rin of R2. Omdat de lagere waarde van de weerstand de ingangsimpedantie verlaagt en het ingangssignaal belast. In typische gevallen wordt een waarde van 4,7k tot 10k gebruikt voor de ingangsweerstand.

Als een hoge versterking vereist is en we een hoge impedantie in de ingang moeten garanderen, moeten we de waarde van feedbackweerstanden verhogen. Maar het is ook niet aan te raden om over Rf heen een zeer hoogwaardige weerstand te gebruiken. Een hogere feedbackweerstand zorgt voor een onstabiele versterkingsmarge en kan geen haalbare keuze zijn voor bewerkingen met beperkte bandbreedte. Typische waarde 100k of iets meer dan die wordt gebruikt in de feedbackweerstand.

We moeten ook de bandbreedte van het op-amp-circuit controleren voor een betrouwbare werking bij hoge versterking.

Sommerende versterker of opampaddercircuit

Een inverterende op-amp kan op verschillende plaatsen worden gebruikt, zoals als Opamp Summing Amplifier. Een belangrijke toepassing van inverterende op-amp is een sommerende versterker of virtuele aarde-mixer.

In de bovenstaande afbeelding wordt een virtuele aardmixer of sommerende versterker getoond waarbij een omgekeerde op-amp verschillende signalen mengt over zijn inverterende terminal. Een inverterende versterkersingang bevindt zich vrijwel op aardpotentiaal, wat een uitstekende mixergerelateerde toepassing biedt in aan audiomixing gerelateerd werk.

Zoals we kunnen zien, worden verschillende signalen bij elkaar opgeteld over de negatieve pool met behulp van verschillende ingangsweerstanden. Er is geen limiet aan het aantal verschillende signaalingangen dat kan worden toegevoegd. De versterking van elke verschillende signaalpoort wordt bepaald door de verhouding van terugkoppelweerstand R2 en de ingangsweerstand van het betreffende kanaal.

Leer ook meer over toepassingen van de op-amp door verschillende op-amp-gebaseerde circuits te volgen. Deze inverterende op-amp-configuratie wordt ook gebruikt in verschillende filters, zoals een actief laagdoorlaat- of actief hoogdoorlaatfilter.

Trans-impedantie versterkercircuit

Een ander gebruik van opamp-inverterende versterker is het gebruik van de versterker als trans-impedantieversterker.

In een dergelijk circuit converteert de op-amp een zeer lage ingangsstroom naar de overeenkomstige uitgangsspanning. Een trans-impedantieversterker zet dus stroom om in spanning.

Het kan de stroom van fotodiode, versnellingsmeters of andere sensoren die een lage stroom produceren, omzetten en met behulp van de trans-impedantieversterker kan de stroom worden omgezet in een spanning.

In de bovenstaande afbeelding, een omgekeerde op-amp die wordt gebruikt om een trans-impedantieversterker te maken die de stroom die van de fotodiode wordt afgeleid, omzet in een spanning. De versterker biedt een lage impedantie over de fotodiode en creëert de isolatie van de op-amp-uitgangsspanning.

In het bovenstaande circuit wordt slechts één feedbackweerstand gebruikt. De R1 is de hoogwaardige feedbackweerstand. We kunnen de versterking veranderen door de waarde van deze R1-weerstand te veranderen. De hoge versterking van de op-amp gebruikt een stabiele toestand waarin de fotodiodestroom gelijk is aan de terugkoppelstroom door de weerstand R1.

Omdat we geen externe voorspanning over de fotodiode geven, is de ingangsverschuivingsspanning van de fotodiode erg laag, wat een grote spanningsversterking produceert zonder enige uitgangsverschuivingsspanning. De stroom van de fotodiode wordt omgezet naar de hoge uitgangsspanning.

Andere toepassingen van Inverting op-amp zijn -

Faseverschuiver
Integrator
Bij signaalbalancering gerelateerde werken
Lineaire RF-mixer
Verschillende sensoren gebruiken een inverterende op-amp voor de uitvoer.