W ostatnim poradniku widzieliśmy, że wzmocnienie otwartej pętli ( AVO ) wzmacniacza operacyjnego może być bardzo duże, nawet 1,000,000 (120dB) lub więcej.
Jednakże, to bardzo duże wzmocnienie nie jest dla nas użyteczne, ponieważ czyni wzmacniacz zarówno niestabilnym jak i trudnym do kontrolowania, jako że najmniejszy sygnał wejściowy, zaledwie kilka mikrowoltów (μV) wystarczy, aby spowodować nasycenie napięcia wyjściowego i jego wahania w kierunku jednej lub drugiej linii zasilania, tracąc całkowitą kontrolę nad wyjściem.
Ponieważ wzmocnienie DC wzmacniacza operacyjnego w pętli otwartej jest bardzo wysokie, możemy sobie pozwolić na utratę części tego wysokiego wzmocnienia poprzez podłączenie odpowiedniego rezystora do wzmacniacza od zacisku wyjściowego z powrotem do zacisku wejściowego, aby zarówno zmniejszyć, jak i kontrolować ogólne wzmocnienie wzmacniacza. W ten sposób powstaje efekt znany powszechnie jako ujemne sprzężenie zwrotne, a tym samym bardzo stabilny system oparty na wzmacniaczu operacyjnym.
Ujemne sprzężenie zwrotne jest procesem „podawania z powrotem” ułamka sygnału wyjściowego z powrotem na wejście, ale aby sprzężenie było ujemne, musimy podawać je z powrotem do ujemnego lub „odwracającego wejścia” zacisku op-ampa za pomocą zewnętrznego rezystora sprzężenia zwrotnego zwanego Rƒ. To sprzężenie zwrotne pomiędzy wyjściem i terminalem wejścia odwracającego wymusza różnicowe napięcie wejściowe w kierunku zera.
Ten efekt wytwarza obwód pętli zamkniętej wzmacniacza, w wyniku czego wzmocnienie wzmacniacza jest teraz nazywane jego wzmocnieniem w pętli zamkniętej. Wzmacniacz odwracający z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego wykorzystuje ujemne sprzężenie zwrotne, aby dokładnie kontrolować całkowite wzmocnienie wzmacniacza, ale kosztem zmniejszenia wzmocnienia wzmacniacza.
To ujemne sprzężenie zwrotne powoduje, że na wejściowym zacisku odwracającym znajduje się inny sygnał niż rzeczywiste napięcie wejściowe, ponieważ będzie to suma napięcia wejściowego plus napięcia ujemnego sprzężenia zwrotnego, co nadaje mu etykietę lub określenie punktu sumującego. Musimy zatem oddzielić rzeczywisty sygnał wejściowy od wejścia odwracającego za pomocą rezystora wejściowego Rin.
Jako że nie używamy dodatniego wejścia nieodwracającego, jest ono podłączone do wspólnej masy lub zacisku zerowego napięcia, jak pokazano poniżej, ale efektem tego obwodu sprzężenia zwrotnego w zamkniętej pętli jest to, że potencjał napięcia na wejściu odwracającym jest równy potencjałowi na wejściu nieodwracającym, tworząc punkt sumujący Wirtualnej Ziemi, ponieważ będzie on na tym samym potencjale co uziemione wejście odniesienia. Innymi słowy, op-amp staje się „wzmacniaczem różnicowym”.
Konfiguracja wzmacniacza operacyjnego odwracającego
W tym układzie wzmacniacza odwracającego wzmacniacz operacyjny jest połączony ze sprzężeniem zwrotnym w celu wytworzenia zamkniętej pętli działania. Kiedy mamy do czynienia ze wzmacniaczami operacyjnymi istnieją dwie bardzo ważne zasady, które należy pamiętać o wzmacniaczach odwracających, są to: „Do zacisku wejściowego nie płynie żaden prąd” oraz że „V1 zawsze równa się V2”. Jednak w rzeczywistych układach wzmacniaczy operacyjnych obie te zasady są nieco łamane.
Jest to spowodowane tym, że połączenie sygnału wejściowego i sprzężenia zwrotnego ( X ) jest na tym samym potencjale co dodatni ( + ) sygnał wejściowy, który jest na poziomie zero woltów lub masy, więc połączenie to jest „wirtualną ziemią”. Ze względu na ten wirtualny węzeł masy, rezystancja wejściowa wzmacniacza jest równa wartości rezystora wejściowego Rin, a wzmocnienie w pętli zamkniętej wzmacniacza odwracającego może być ustawione przez stosunek dwóch zewnętrznych rezystorów.
Powiedzieliśmy powyżej, że istnieją dwie bardzo ważne zasady, o których należy pamiętać w odniesieniu do wzmacniaczy odwracających lub jakiegokolwiek wzmacniacza operacyjnego, a są to.
- Żaden prąd nie płynie do zacisków wejściowych
- Różnicowe napięcie wejściowe jest równe zeru, ponieważ V1 = V2 = 0 (wirtualna ziemia)
Więc używając tych dwóch zasad możemy wyprowadzić równanie do obliczenia wzmocnienia wzmacniacza odwracającego w pętli zamkniętej, wykorzystując pierwsze zasady.
Prąd ( i ) płynie przez sieć rezystorów, jak pokazano na rysunku.
Wtedy, Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odwracającego w pętli zamkniętej ma postać.
i to może być transponowane, aby dać Vout jako:
Linear Output
Ujemny znak w równaniu oznacza odwrócenie sygnału wyjściowego względem wejściowego, ponieważ jest on o 180o poza fazą. Jest to spowodowane tym, że sprzężenie zwrotne ma wartość ujemną.
Równanie dla napięcia wyjściowego Vout również pokazuje, że obwód ma charakter liniowy dla stałego wzmocnienia wzmacniacza, jako że Vout = Vin x Wzmocnienie. Ta właściwość może być bardzo przydatna do konwersji mniejszego sygnału czujnika na znacznie większe napięcie.
Innym użytecznym zastosowaniem wzmacniacza odwracającego jest układ „wzmacniacza transoporowego”. Wzmacniacz transoporowy, znany również jako „wzmacniacz transimpedancyjny”, jest w zasadzie konwerterem prądu na napięcie (prąd „w” i napięcie „na zewnątrz”). Mogą one być używane w aplikacjach o niskim poborze mocy do konwersji bardzo małego prądu generowanego przez fotodiodę lub urządzenie fotodetekcyjne itp. na użyteczne napięcie wyjściowe, które jest proporcjonalne do prądu wejściowego, jak pokazano na rysunku.
Obwód wzmacniacza transoporowego
Powyższy prosty obwód aktywowany światłem, przekształca prąd generowany przez fotodiodę w napięcie. Rezystor sprzężenia zwrotnego Rƒ ustala punkt napięcia roboczego na wejściu odwracającym i kontroluje wielkość napięcia wyjściowego. Napięcie wyjściowe jest określone jako Vout = Is x Rƒ. Zatem, napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do wielkości prądu wejściowego generowanego przez fotodiodę.
Przykład odwróconego wzmacniacza operacyjnego nr 1
Znajdź wzmocnienie pętli zamkniętej następującego układu wzmacniacza odwracającego.
Korzystając z wcześniej znalezionego wzoru na wzmocnienie układu
Możemy teraz podstawić wartości rezystorów w obwodzie w następujący sposób,
Rin = 10kΩ i Rƒ = 100kΩ
i wzmocnienie układu obliczamy jako: -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10
W związku z tym wzmocnienie w pętli zamkniętej powyższego układu wzmacniacza odwracającego jest dane -10 lub 20dB (20log(10)).
Odwracający wzmacniacz operacyjny Przykład nr2
Wzmocnienie oryginalnego układu ma być zwiększone do 40 (32dB), znajdź nowe wartości wymaganych rezystorów.
Zakładając, że rezystor wejściowy ma pozostać na tej samej wartości 10KΩ, to poprzez ponowne ułożenie wzoru na wzmocnienie napięcia w pętli zamkniętej możemy znaleźć nową wartość wymaganą dla rezystora sprzężenia zwrotnego Rƒ.
Wzmocnienie = Rƒ/Rin
Więc, Rƒ = Wzmocnienie x Rin
Rƒ = 40 x 10,000
Rƒ = 400,000 lub 400KΩ
Nowe wartości rezystorów wymagane dla obwodu, aby uzyskać wzmocnienie 40 byłyby następujące:
Rin = 10KΩ i Rƒ = 400KΩ
Wzór ten można również przearanżować, aby otrzymać nową wartość Rin, zachowując tę samą wartość Rƒ.
Jeszcze jedna uwaga na temat konfiguracji wzmacniacza odwracającego dla wzmacniacza operacyjnego, jeśli dwa oporniki mają równe wartości, Rin = Rƒ, wtedy wzmocnienie wzmacniacza będzie wynosiło -1, wytwarzając komplementarną formę napięcia wejściowego na jego wyjściu jako Vout = -Vin. Ten typ konfiguracji wzmacniacza odwracającego jest ogólnie nazywany inwerterem o jedności wzmocnienia lub po prostu buforem odwracającym.
W następnym przewodniku o wzmacniaczach operacyjnych przeanalizujemy dopełnienie układu wzmacniacza odwracającego, zwane wzmacniaczem nieodwracającym, który wytwarza sygnał wyjściowy będący w fazie z sygnałem wejściowym.
