В этой статье мы расскажем о суммирующем усилителе, его конфигурациях, типах суммирующих усилителей (инвертирующих и неинвертирующих), и некоторых областях применения суммирующего усилителя.
Одним из важных применений операционного усилителя является суммирующий усилитель, также известный как сумматор. Как следует из названия, суммирующий усилитель представляет собой схему на основе операционного усилителя, в которой суммируются несколько входных сигналов разного напряжения.
Некоторые электронные схемы требуют добавления или объединения двух или более аналоговых сигналов в один сигнал. Одним из лучших примеров таких требований являются устройства для записи музыки и голоса. В случае типичной настройки записи музыки у нее есть несколько входов от нескольких микрофонов, а выход — стерео (левый и правый).
Здесь пригодится суммирующий усилитель, так как он объединяет несколько входов в один общий сигнал без шума и помех. По этой причине суммирующий усилитель также называют сумматором напряжения, поскольку его выход представляет собой сложение напряжений, присутствующих на его входной клемме.
Инвертирующий суммирующий усилитель
Наиболее часто используемый суммирующий усилитель представляет собой расширенную версию конфигурации инвертирующего усилителя, т. е. несколько входов подаются на инвертирующий вход операционного усилителя, а неинвертирующий вход подключается к земле. Из-за этой конфигурации выход схемы сумматора напряжения не совпадает по фазе на 180o по отношению к входу.
Общая конструкция суммирующего усилителя показана на следующей схеме. Обычная схема инвертирующего усилителя имеет только одно напряжение/вход на инвертирующем входе. Если к инвертирующему входу подключено больше входных напряжений, как показано, результирующий выход будет суммой всех приложенных входных напряжений, но инвертированных.
Прежде чем анализировать приведенную выше схему, давайте обсудим важный момент в этой настройке: концепцию виртуальной земли. Поскольку неинвертирующий вход вышеуказанной схемы подключен к земле, инвертирующий вход операционного усилителя находится на виртуальной земле. В результате инвертирующий входной узел становится идеальным узлом для суммирования входных токов.
Принципиальная схема суммирующего усилителя показана выше. Вместо использования одного входного резистора все источники входного сигнала имеют свои собственные входные резисторы. Такая схема усиливает каждый входной сигнал. Коэффициент усиления для каждого входа определяется отношением резистора обратной связи Rf к входному сопротивлению в соответствующей ветви.
Расчет выходного напряжения инвертирующего суммирующего усилителя
Пусть R1 будет входным сопротивлением, а V1 будет входным напряжением первого канала. Аналогично, R2 – V2 для второго канала, R3 – V3 для третьего канала и так далее до Rn – Vn для n -го канала.
Уже было сказано, что суммирующий усилитель — это, по сути, инвертирующий усилитель с более чем одним напряжением на инвертирующем входе. Выходное напряжение для каждого канала может быть рассчитано индивидуально, и окончательное выходное напряжение будет суммой всех отдельных выходов.
Чтобы рассчитать выходное напряжение определенного канала, мы должны заземлить все остальные каналы и использовать базовую формулу выходного напряжения инвертирующего усилителя для каждого канала.
Если все каналы заземлены, кроме первого канала, то выход для первого канала определяется как:
V OUT1 = – (R f / R 1 ) V 1
Где – (R f / R 1 ) коэффициент усиления по напряжению для первого канала (A V1).
Точно так же, если все каналы заземлены, кроме второго канала, то выход для второго канала определяется как:
V OUT2 = – (R f / R 2 ) V 2
Где – (R f / R 2) коэффициент усиления по напряжению для второго канала (A V2).
Аналогично, выход для n -го канала определяется как:
V OUTn = – (R f / R n ) V n
А – (R f / R n ) – коэффициент усиления по напряжению для n -го канала (A Vn).
Выходной сигнал представляет собой алгебраическую сумму отдельных выходов или, другими словами, это сумма всех входов, умноженная на их соответствующие коэффициенты усиления:
VOUT = VOUT1 + VOUT2 + . . . + VOUTn
VOUT = – [(Rf / R1) V1 + (Rf / R2) V2 + . . . + (Rf / Rn) Vn]
VOUT = V1 AV1 + V2 AV2 + . . . + Vn AVn
В суммирующем усилителе, если входные сопротивления не равны, схема называется масштабирующим суммирующим усилителем. Но если все входные сопротивления выбраны равными, то говорят, что суммирующий усилитель имеет равновзвешенную конфигурацию, где коэффициент усиления для каждого входного канала одинаков.
Иногда необходимо просто добавить входные напряжения без их усиления. В таких ситуациях значение входного сопротивления R 1 , R 2 , R 3 и т.д. должно быть выбрано равным значению резистора обратной связи Rf . В результате коэффициент усиления усилителя будет равен единице. Следовательно, выходное напряжение будет суммой входных напряжений.
Теоретически мы можем подать на вход суммирующего усилителя столько входных сигналов, сколько потребуется. Однако следует отметить, что все входные токи складываются, а затем возвращаются обратно через резистор Rf , поэтому мы должны знать номинальную мощность резисторов.
Неинвертирующий суммирующий усилитель
Неинвертирующий суммирующий усилитель также может быть построен с использованием конфигурации неинвертирующего усилителя операционного усилителя. Здесь входные напряжения подаются на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя, а часть выходного сигнала возвращается на инвертирующую входную клемму через обратную связь делителя напряжения и смещения.
Схема неинвертирующего суммирующего усилителя показана ниже. Для удобства следующая схема состоит всего из трех входов, но можно добавить больше входов:
Прежде всего, несмотря на то, что это также суммирующий усилитель, расчеты не такие прямые, как у инвертирующего суммирующего усилителя, потому что в неинвертирующем суммирующем усилителе нет преимущества виртуального узла суммирования земли.
Расчет выходного напряжения неинвертирующего суммирующего усилителя
Чтобы понять работу неинвертирующего суммирующего усилителя, мы должны разделить схему на две части:
- Входной резистор / секция источника
- Секция неинвертирующего усилителя
Если VIN представляет собой комбинацию всех входных сигналов, то она применяется к неинвертирующему выводу операционного усилителя. Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать выходное напряжение неинвертирующего усилителя с VIN в качестве входа и Rf и Ri в качестве резисторов делителя обратной связи следующим образом:
VOUT = VIN (1 + (Rf / Ri))
Поскольку выходное напряжение вычислено, теперь мы должны определить значение VIN . Если V1 , V2 и V3 являются тремя основными входными источниками, а R1 , R2 и R3 являются их входными сопротивлениями, то VIN1 , VIN2 и VIN3 являются входами соответствующих каналов, когда другие соответствующие каналы заземлены:
VIN = VIN1 + VIN2 + VIN3
Поскольку концепция виртуальной земли здесь неприменима, все каналы будут влиять на другие каналы. Давайте вычислим часть VIN1 от VIN , и с помощью простой математики мы можем легко получить два других значения, т. е. VIN2 и VIN3 .
Что касается VIN1 , когда V2 и V3 заземлены, их соответствующие резисторы нельзя игнорировать, поскольку они образуют сеть делителя напряжения:
VIN1 = V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))]
Точно так же мы можем вычислить два других значения VIN2 и VIN3 :
VIN2 = V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))]
VIN3 = V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]
Далее:
VIN = VIN1 + VIN2 + VIN3
VIN = V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))] + V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))] + V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]
Наконец, мы можем рассчитать выходное напряжение VOUT :
VOUT = VIN (1 + (Rf / Ri))
VOUT = (1 + (Rf / Ri)) {V1 [(R2 || R3) / (R1 + (R2 || R3))] + V2 [(R1 || R3) / (R2 + (R1 || R3))] + V3 [(R1 || R2) / (R3 + (R1 || R2))]}
Если мы рассмотрим специальное равновзвешенное условие, когда все резисторы имеют одинаковые значения, то выходное напряжение будет:
VOUT = (1 + (Rf / Ri)) ( (V1 + V2 + V3) / 3)
При проектировании неинвертирующей суммирующей схемы сначала разрабатывается неинвертирующий усилитель с требуемым коэффициентом усиления по напряжению. Затем входные резисторы подбираются как можно большего размера, чтобы соответствовать типу используемого операционного усилителя.
Пример сумматора напряжения
Три аудиосигнала управляют суммирующим усилителем, как показано на схеме ниже. Какое будет выходное напряжение?
Усиление напряжения замкнутого контура каждого канала можно рассчитать так:
ACL1 = – (Rf / R1) = – (100 KΩ / 20 KΩ) = – 5
ACL2 = – (Rf / R2) = – (100 KΩ / 10 KΩ) => ACL2 = – 10
ACL3 = – (Rf / R3) = – (100 KΩ / 50 KΩ) => ACL3 = – 2
Выходное напряжение суммирующего усилителя определяется как:
VOUT = (ACL1 V1 + ACL2 V1 + ACL3 V1)
= – [(5 * 100 mV) + (10 * 200 mV) + (2 * 300 mV)]
= – (0.5 V + 2 V + 0.6 V)
VOUT = – 3.1 V
Применение суммирующих усилителей
Аудио микшер
Суммирующий усилитель является полезной схемой, когда необходимо добавить или объединить два или более сигналов, например, для микширования звука. Звуки различных музыкальных инструментов могут быть преобразованы в определенный уровень напряжения с помощью преобразователей и подключены в качестве входа к суммирующему усилителю.
Эти разные источники сигнала будут объединены суммирующим усилителем, и объединенный сигнал будет отправлен на аудиоусилитель. Примерная принципиальная схема суммирующего усилителя в качестве аудиомикшера показана ниже:
Суммирующий усилитель может функционировать как многоканальный аудиомикшер для нескольких аудиоканалов. Никаких помех (обратной связи с одного канала на вход другого канала) не будет, потому что каждый сигнал подается через резистор, другой конец которого подключен к клемме заземления.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует двоичные данные, подаваемые на его вход, в эквивалентное аналоговое значение напряжения. Промышленное управление в режиме реального времени часто использует микрокомпьютеры. Эти микрокомпьютеры выводят цифровые данные, которые необходимо преобразовать в аналоговое напряжение для управления двигателями, реле, исполнительными механизмами и т.д.
В простейшей схеме цифро-аналогового преобразователя используется суммирующий усилитель и цепь резисторов с взвешенными значениями. Типичная схема 4-битного ЦАП с суммирующим усилителем показана ниже:
Входами показанного выше суммирующего усилителя являются двоичные данные QA , QB , QC и QD , которые обычно равны 5 В для представления логической 1 и 0 В для представления логического 0.
Если входные резисторы в каждой ветви выбраны таким образом, что значение каждого входного резистора в два раза превышает значение резистора в предыдущей входной ветви, то цифровое логическое напряжение на входе будет давать выходной сигнал, который представляет собой взвешенную сумму входных значений прикладываемых напряжений.
Точность такой схемы цифро-аналогового преобразователя ограничена точностью значений используемых резисторов и различиями в представлении логических уровней.
Переключатель уровней
Еще одним важным применением суммирующего усилителя является сдвиг уровня. Суммирующий усилитель с двумя входами может действовать как регулятор уровня, где один вход представляет собой сигнал переменного тока, а второй вход — сигнал постоянного тока.
Сигнал переменного тока будет компенсирован входным сигналом постоянного тока. Одно из основных применений такого сдвига уровня — генераторы сигналов для управления смещением постоянного тока.
Итог
Мы объяснили вам некоторые основы суммирующего усилителя, инвертирующего и неинвертирующего суммирующего усилителя, расчет выходного напряжения, примерную схему и несколько важных применений.
В следующей статье мы с вами поговорим о дифференциальном усилителе.
С Уважением, МониторБанк