Операционные усилители могут быть настроены для работы в качестве различных функциональных схем, таких как усилители, генераторы, регуляторы напряжения, фильтры, выпрямители и т.д. Большинство этих конфигураций схем требуют, чтобы выход операционного усилителя был соединен обратно с его входом.
Эта связь от выхода к входу 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 будет называться положительной, а если выход подключен к инвертирующему входу, обратная связь будет называться отрицательной. Выход подается обратно на вход операционного усилителя через внешний резистор, называемый резистором обратной связи (Rf). Подключение обратной связи обеспечивает средства для точного управления коэффициентом усиления операционного усилителя в зависимости от применения.
Инвертирующий усилитель представляет собой важную схему, использующую операционные усилители и 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 будет давать на выходе синусоидальный сигнал с отклонением по фазе на 180°.
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 Rf .
Когда на инвертирующий вход (база транзистора Q2) подается положительное напряжение, ток на выводе коллектора Q2 увеличивается, и падение напряжения на RC также увеличивается. 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. Игнорируя небольшой ток смещения, который течет в 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 составляет
ACL = Vout / Vin = -I.Rf / I.R1
Усиление напряжения инвертирующего операционного усилителя
Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура инвертирующего операционного усилителя определяется как:
ACL = Vout / Vin = – (Rf / R1)
Отрицательный знак уравнения усиления с обратной связью указывает на то, что выход инвертируется по отношению к приложенному входу.
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.
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 приложенного входа, Vout = – Vin. 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 показаны на графике 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.:
+VCC = + VSAT и –VCC = -VSAT
Примеры инвертирующих операционных усилителей
1) Сконструируем инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -10 и входным сопротивлением, равным 10 кОм.
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) х 10 кОм
R f = 100 кОм
2) В схеме, показанной ниже, R1 = 10 кОм, Rf = 100 кОм, Vin = 1В. К выходной клемме подключена нагрузка 25 кОм. Рассчитаем,
- Текущий i1
- Выходное напряжение Vout
- Ток нагрузки iL
Входной ток i1:
i1 = Vin / R1
= 1 V / 10k Ω
i1 = 0.1 mA
Выходное напряжение Vout:
Vout = – (Rf / R1) * Vin
= – (100kΩ/10kΩ) x 1 V
Vout = – 10 V
Ток нагрузки iL:
iL = Vout / RL
= 10 V / 25kΩ
iL = 0.4 mA
Трансимпедансный усилитель
Трансимпедансный усилитель представляет собой схему, которая преобразует входной ток в соответствующее напряжение на выходе, т.е. это 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 резистор обратной связи, значение которого очень велико. 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.
Операция постоянного тока
Принципиальная схема базового трансимпедансного усилителя показана 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:
-Ip = Vout / Rf
т.е. Vout / Ip = -Rf
Приведенное выше уравнение представляет собой коэффициент усиления по постоянному току и низких частот 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 низких частот в тракт обратной связи. Отклик фильтра низких частот этого фильтра можно охарактеризовать как коэффициент обратной связи β, который ослабляет сигнал обратной связи.
Когда учитывается влияние этого фильтра низких частот, уравнение отклика схемы становится:
Vout = – (1p.Rf) / {1 + (1/ AOLβ)}
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 до тех пор, пока коэффициент усиления без обратной связи ( AOL β ) намного больше единицы.
Итог
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 операционного усилителя без обратной связи, который очень велик. Также, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя зависит от номиналов используемых резисторов, и, следовательно, коэффициент усиления можно точно контролировать, 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 180°.
С Уважением, МониторБанк