Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя: Коэффициент усиления не инвертирующего усилителя на оу.

Неинвертирующий усилитель

RADIOMASTER

Лучшие смартфоны на Android в 2022 году

Серия iPhone от Apple редко чем удивляет. Когда вы получаете новый iPhone, общее впечатление, скорее всего, будет очень похожим на ваше предыдущее устройство. Однако всё совсем не так в лагере владельцев устройств на Android. Существуют телефоны Android всех форм и размеров, не говоря уже о разных ценовых категориях. Другими словами, Android-телефон может подойти многим. Однако поиск лучших телефонов на Android может быть сложной задачей.

1642 0

Документация Схемотехника CAD / CAM Статьи

Компьютеры Радиолюбителю

• Главная
/
• База знаний
/
• Статьи
/
• org/Breadcrumb”>Радиолюбителю

В схеме инвертирующего усилителя рис. 1.5 резисторы R1 и R2 образуют делитель, через который протекает одинаковый ток

Исходя из этого к инвертирующему входу ОУ приложено напряжение:

Рисунок 1.1 – Неинвертирующий усилитель

Однако, как уже отмечалось, за счет отрицательной обратной связи потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов будут примерно равными, т.е.

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

В отличие от инвертирующего усилителя входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным дифференциальным сопротивлением ОУ и можно считать, что

(Например, у усилителей с МОП транзисторами на входе Ом. Выходное сопротивление составляет несколько десятков-сотен Ом.

Сумма сопротивлений (R1 +R2) должна быть такой, чтобы общий максимальный ток нагрузки ОУ с учетом этого сопротивления не превышал допустимого значения.

Рисунок 1.2 – Повторитель напряжения

На рис. 1.2 приведена схема неинвертирующего усилителя со 100% отрицательной обратной связью. При подаче напряжения на вход, за счет обратной связи выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов не сравняются (считаем ), т.е выходное напряжение окажется приблизительно равным входному. Таким образом коэффициент усиления схемы рис. 6.7

В силу этого схема рис. 1.2 называется повторителем, так как сигнал на выходе имеет ту же амплитуду и фазу , что и входной. Повторитель часто используется в качестве буферного каскада.

При необходимости усиливать переменный сигнал можно использовать схему рис. 1.3. Для входного тока (очень небольшого) в схеме предусмотрено заземление неинвертирующего входа через резистор R. RC-цепь образует фильтр высоких частот, поэтому постоянная времени должна выбираться исходя из требуемой нижней граничной частоты пропускания усилителя.

Рисунок 1.3 – Усилитель переменного напряжения

Нравится

Твитнуть

Теги Радио

Сюжеты Радио

Малошумящие низкочастотные усилители

12106 0

Влияние режима работы транзистора на шумы

7316 0

Влияние построения схемы на параметры

17025 0

Комментарии (0)

Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

Вход

О проекте Использование материалов Контакты

Новости Статьи База знаний

Радиомастер
© 2005–2022 radiomaster.ru

При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.2144 s

5 важных фактов, которые вы должны знать

Введение в неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель – это еще один режим работы стандартного усилителя. Как известно, типовые усилители имеют два вывода – инвертирующий и неинвертирующий. Когда входы поступают через неинвертирующие клеммы, такой режим работы известен как неинвертирующий усилитель.

Теория неинвертирующего усилителя

Принцип работы или теория, лежащая в основе неинвертирующего усилителя, такая же, как и у инвертирующего усилителя, а для неинвертирующего усилителя вход подается на неинвертирующий терминал. Усилитель усиливает выходной сигнал с определенным коэффициентом усиления и передает его в производство. Коэффициент усиления зависит от значений сопротивления, и система обратной связи соединена с инвертирующим усилителем для создания отрицательной обратной связи в системе. Поскольку система имеет отрицательную обратную связь, этот усилитель имеет большую стабильность, но меньшее усиление, чем инвертирующий усилитель с такими же значениями сопротивления.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя

На изображении ниже изображена принципиальная схема неинвертирующего усилителя. На изображении ниже Vin – входное напряжение для усилителя, R1 – сопротивление первичной обмотки, Rf – сопротивление обратной связи, а «I» – ток через сопротивление обратной связи. Внимательно изучите изображение, поскольку в статье оно будет называться изображением неинвертирующего усилителя.

Изображение Фото: Индуктивная нагрузка, Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Проектирование неинвертирующий усилитель это довольно простая и понятная задача. Первоначально операционный усилитель настроен на положительную и отрицательную полярность. опорное напряжение и заземляющие контакты выполнены в соответствии с требованиями. Теперь, поскольку это неинвертирующий усилитель, входное напряжение подается на неинвертирующий вывод, а инвертирующий вывод подключен к земле через сопротивление, а стандартное сопротивление обратной связи связано с инвертирующим усилителем для обеспечения -ve. обратная связь в цепи неинвертирующего усилителя.

Как работает неинвертирующий усилитель?

Неинвертирующий усилитель усиливает входной сигнал, подаваемый на неинвертирующий усилитель, а сопротивления в конструкции усилителя действуют как коэффициент усиления в конкретном математическом уравнении. Из-за виртуального заземления напряжение точки B также появляется на конце «A». Таким образом, узел A имеет то же напряжение, что и входное напряжение. Опять же, через инвертирующий вывод будет протекать тот же ток, что и в цепи обратной связи.

Вывод неинвертирующего усилителя

Выведем уравнения неинвертирующего усилителя и другие важные формулы. Сначала предположим, что для усилителя работает виртуальное замыкание.

Тогда напряжение в узле B будет равно напряжению в узле A.

Теперь VB = Vin.

Таким образом, Vin также появится в узле A. Следовательно, мы можем сказать:

ВА = Вин.

Предположим, что выходное напряжение равно Vo. Сопротивление обратной связи называется Rf. Ток в цепи обратной связи равен «I». «Я» можно записать, как показано ниже.

I = (Vo – VA) / Rf

Или I = (Vo / Rf) – (VA / Rf) —- (1)

Такой же ток протекает через инвертирующий терминал. Итак, уравнение для этого терминала,

I = (VA – 0) / R1 = VA / R1 = Vin / R1 —- (2)

Приравнивая уравнение (1) и уравнение (2), мы можем записать –

(Vo / Rf) – (Vin / Rf) = Vin / R1

Или Vo / Rf = Vin / R1 + (Vin / Rf)

Или Vo / Rf = Vin [(1 / R1) + (1 / Rf)]

Или Vo / Rf = Vin [(Rf + R1) / (R1 Rf)]

Или Vo = Vin [(Rf + R1) / R1]

Или V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это конечный выход неинвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель Уравнение

Окончательное выходное уравнение схемы известно как уравнение неинвертирующего усилителя. Уравнение показывает соотношение между входным и выходным напряжением. Коэффициент усиления также можно наблюдать в уравнении.

V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]

Это уравнение неинвертирующего усилителя. Rf – сопротивление обратной связи, R1 – сопротивление, подключенное к инвертирующей клемме. Значения этих сопротивлений влияют на входное напряжение. Как мы видим, если значение (Rf / R1) больше 1, то мы выиграли в системе. Таким образом, коэффициент (Rf / R1) необходимо увеличить как можно больше. Но до некоторой степени это можно сделать.

Неинвертирующий усилитель Vout

Vout или выходное напряжение неинвертирующего усилителя говорит нам, почему этот набор операций в усилителе называется неинвертирующим усилителем. Выходное уравнение неинвертирующего усилителя задается как V0 = Vin [1 + (Rf / R1)].

Из приведенного выше уравнения мы можем заметить, что выходное и входное напряжение находятся в одной фазе работы. В отличие от инвертирующего терминала, выход усилителя не инвертируется в отрицательную фазу. Вот почему рабочая установка называется неинвертирующим усилителем.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Идеальный операционный усилитель обладает свойством высокого входного импеданса, и поэтому каждый усилитель спроектирован так, чтобы иметь большее входное сопротивление. Неинвертирующие усилители – не исключение. Они показывают более высокие входные сопротивления при работе.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Выход усилителя – это вход, умноженный на коэффициент усиления. Коэффициент усиления усилителей зависит от значений сопротивления и типа обратной связи усилителя. Для системы с отрицательной обратной связью усиление уменьшилось, а стабильность системы увеличилась, а для положительной обратной связи усиление выше, но сила системы снизилась.

Для уравнения: Vвых = k * Вин, k – коэффициент усиления усилителя.

(Следует отметить: коэффициент усиления – это отношение выходного напряжения к подаваемому входному напряжению. Вот почему у него нет единиц измерения.)

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Ранее мы обсуждали, что такое усиление для неинвертирующего усилителя. Выясним точное выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя.

Общее выражение выходного напряжения усилителя: Vвых = к * Вин.

O / P equⁿ неинвертирующего усилителя, сформулированного как  

V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin.

Таким образом, k можно вычислить, сравнив два приведенных выше уравнения.

к = [1 + (Rf / R1)].

Это выражение резистора известно как коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, и отсюда мы можем заметить, что если Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Таким образом, входное напряжение усиливается в 2 раза. Отношение (Rf / R1) обычно регулирует усиление. Увеличение Rf увеличивает значение усиления.

Неинвертирующий операционный усилитель с отрицательным усилением

Подробный анализ коэффициента усиления неинвертирующего ОУ делается ранее. Отрицательное усиление неинвертирующего операционного усилителя называется точным усилением усилителя. Ему дается другая номенклатура, потому что операционный усилитель снабжен отрицательной обратной связью. Хотя этот термин вводит в заблуждение, многие читатели считают, что он указывает на то, что неинвертирующий усилитель обеспечивает отрицательную величину коэффициента усиления.

Передаточная функция неинвертирующего усилителя

Передаточная функция системы относится к процессу, который описывает или предоставляет выходные данные для каждого входа. Поскольку усилитель принимает два входа и усиливает их, передаточная функция будет отражать то же самое. Передаточную функцию можно записать как:

Vo = к * Vi

Здесь Vo и Vi – два входа, а k – коэффициент усиления.

Макетная плата неинвертирующего усилителя

Чтобы наблюдать и исследовать функциональность неинвертирующего усилителя в реальных условиях, нам нужно сделать схему с использованием печатной платы или макета. Для эксперимента требуется некоторое оборудование. Они перечислены ниже.

1. Сопротивления 1 кОм и XNUMX кОм.
2. IC741
3. Подключение проводов
4. CRO
5. макетировать
6. Источник постоянного напряжения

Подключение макета показано ниже. Подключите оборудование правильно и наблюдайте за формой выходного сигнала в CRO.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя

Прежде чем узнать о полосе пропускания неинвертирующего усилителя, дайте нам знать полосу пропускания усилителя. Полоса пропускания упоминается как диапазон частот, при котором усилитель усилителя превышает 70.7%.

Полоса пропускания неинвертирующего усилителя определяется путем рассмотрения произведения усиления на ширину полосы и последующего деления его на неинвертирующее усиление.

Неинвертирующий фазовый сдвиг усилителя

Обычно фазовый сдвиг называется изменением величины входного сигнала. Есть черный ящик, и мы обеспечиваем входной сигнал +5 В. Теперь, если мы получаем -10 В на выходе, то внутри черного ящика есть фазовый сдвиг. То же самое и с усилителями. Поскольку мы обеспечиваем вход для неинвертирующего усилителя, фаза выходного напряжения не изменяется. Итак, мы можем сказать, что есть 0^o изменение вывода. Для инвертирующего терминала фазовый сдвиг -180^o.

Коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя

Суммирующий усилитель обеспечивает усиленное суммирование входных напряжений в качестве выходных. В приведенной ниже схеме мы задали два входных напряжения как V1 и V2 на неинвертирующем выводе усилителя, поскольку мы хотим создать неинвертирующий вход. суммирующий усилитель.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Суммирующий усилитель операционного усилителя, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Применяя теорию суперпозиции для определения напряжения в узлах, мы приравниваем значения тока из ветви обратной связи и ветви инвертирующего терминала.

Выходное уравнение выглядит следующим образом: Vout = [1 + (Rf / Ra)] * [(V1 + V2) / 2]

Таким образом, коэффициент усиления неинвертирующего суммирующего усилителя составляет [1 + (Rf / Ra)], и это аналогично типичным неинвертирующим усилителям.

Применение неинвертирующего усилителя | Не инвертирующий усилитель использует.

• Одним из важных применений неинвертирующего усилителя является обеспечение высокого входного импеданса, и этот неинвертирующий операционный усилитель очень эффективен для этого.
• Неинвертирующие операционные усилители используются для различения небольших схем внутри каскадного и сложного курсов.
• Они также используются при изменении коэффициента усиления.

Для чего используются неинвертирующие усилители?

Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

Инвертирующий и неинвертирующий шум усилителя

Инвертирующие усилители обеспечивают большее усиление шума, чем неинвертирующие усилители. Это происходит потому, что источник тока и напряжения находят разные значения усиления по сравнению с выходом. Коэффициент усиления шума – очень важный параметр для измерения характеристик усилителя.

Неинвертирующий буферный усилитель

Неинвертирующий буферный усилитель, или буферный усилитель, или буферный операционный усилитель – это особый тип операционного усилителя, который принимает единственный входной сигнал через неинвертирующий усилитель и обеспечивает единичное усиление. Инвертирующий терминал закорочен, а выход создает отрицательную обратную связь. Такие усилители предлагают высокий входной импеданс, более низкий выходной импеданс и высокий ток.

Буферы используются для автоматического выключателя или во избежание загрузки входа.

Изображение от: Индуктивная нагрузка, Операционный усилитель Unity-Gain Buffer, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Неинвертирующий усилитель с конденсатором

Конденсатор может быть добавлен с неинвертирующим усилителем для реализации различных передаточных функций. Конденсатор может превратить неинвертирующий усилитель в интегратор или дифференциатор.

Используя конденсаторы, неинвертирующие усилители также могут быть преобразованы в цепи со связью по переменному току или «шину с половинным питанием».

Неинвертирующий усилитель с опорным напряжением

Неинвертирующие усилители конфигурируются с опорными напряжениями. Эталонные напряжения необходимы для операционных усилителей, поскольку они являются ограничивающим пределом для выходов. Усилитель не может выйти за пределы положительного опорного напряжения или опускается ниже отрицательного опорного напряжения.

Часто задаваемые вопросы

1. Для чего нужен неинвертирующий усилитель?

Ответ: Неинвертирующие усилители используются из-за их высоких значений импеданса и лучшей стабильности из-за отрицательной обратной связи и усиления. Свойство неинвертирующего усилителя, который дает усиление или сопротивление на выходе, сделало его известным благодаря дифференциации схем для каскадных систем.

2. Какой усилитель лучше инвертирующий или неинвертирующий?

Ответ: Инвертирующие усилители более предпочтительны, чем неинвертирующие усилители. Скорость нарастания и коэффициент подавления стандартной моды (CMRR) у инвертирующего усилителя выше, чем у неинвертирующего усилителя.

3. Нарисуйте форму сигнала неинвертирующего усилителя.

Ответ: На изображении ниже показана форма волны неинвертирующего усилителя. Мы можем заметить, что выход усилен и находится в той же фазе, что и вход.

Waveform

4. Для каких приложений используется инвертирующий усилитель и для каких применений – неинвертирующий усилитель?

Ответ: В приложениях, где пользователю требуется более высокое усиление, лучшая скорость нарастания и лучший CMRR, выбирают инвертирующий усилитель. А если пользователю нужна более высокая динамическая стабильность системы, он должен выбрать неинвертирующий усилитель.

5. Каковы преимущества инвертирующего усилителя по сравнению с неинвертирующим?

Ответ: Инвертирующий усилитель обеспечивает большее усиление, лучшую скорость нарастания и более высокий CMRR, чем неинвертирующий усилитель.

6. Каковы типичные условия работы неинвертирующего усилителя в линейной области?

Ответ: Рассмотрим, Rs является типичным входное сопротивление, Rf является сопротивление обратной связи, Vcc является напряжение насыщения, и Vg это опорное напряжение. Условие для работы в линейной области идеального операционного усилителя будет:

(Rs + Rf) / Rs> | Vcc / vg |

7. Почему виртуальное заземление не применяется к неинвертирующему усилителю?

Ответ: Хотя учащиеся часто задают вопрос, проблема связана с технической ошибкой. Виртуальное заземление – это свойство усилителя, но это не закон, который может быть применен на самом деле. Теперь для неинвертирующего терминала в цепи нет узла, что нехорошо.

8. Почему IP-сопротивление инвертирующего и неинвертирующего opam бесконечно?

Ответ: Входное сопротивление неинвертирующего ОУ бесконечно, но практически, если это значение импеданса увеличивается, тем меньше ток он будет фактически потреблять. Это условие необходимо для того, чтобы операционный усилитель эффективно работал и усиливал слабый сигнал.

9. Почему в неинвертирующем усилителе нет напряжения на резисторе обратной связи?

Ответ: Для повторитель напряжения неинвертирующая схема, нет падения напряжения через инвертирующий вывод и в идеальном случае через резистор не должно проходить тока.

10. Почему значение резисторов обратной связи должно быть больше, чем значение входных резисторов в случае неинвертирующего усилителя OP?

Ответ: Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как [1 + (Rf / Ra)]. Мы можем заметить, что увеличение Rf (сопротивления обратной связи) увеличивает общий коэффициент усиления системы. Вот почему номинал резистора обратной связи лучше, чем значения входного сопротивления.

11. Что произойдет, если я захочу добавить конденсатор положительной обратной связи в неинвертирующий усилитель? Что с шумом и запасом по фазе?

Ответ: Если вы добавите конденсатор положительной обратной связи к неинвертирующему усилителю, схема будет работать как мультивибратор. Значение RC будет контролировать колебания. Запас по шумам и фазе не так важен.

Дополнительные статьи по электронике нажмите здесь.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя — Mastering Electronics Design

Адриан С. Настасе

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя принято считать равным нулю, но почему? Собственное выходное сопротивление операционного усилителя находится в диапазоне десятков Ом. Тем не менее, когда мы подключаем операционный усилитель в конфигурации с обратной связью, выходное сопротивление резко уменьшается. Почему?

Чтобы ответить на эти вопросы, рассчитаем выходное сопротивление неинвертирующего усилителя.

Общепринято, что выходное сопротивление устройства можно рассчитать с помощью теоретического источника испытательного напряжения, подключенного к выходу устройства. Вход или входы подключаются к земле. Тем не менее, вместо того, чтобы использовать этот метод, давайте попробуем другой: метод малых вариаций сигнала.

На рис. 1 показан неинвертирующий усилитель, который управляет нагрузкой RL. Эта схема имеет эквивалентный источник Thevenin, как показано на рисунке 2.

Рисунок 1

Рисунок 2

Из рисунка 2 видно, что выходное напряжение Vout можно записать как

(1)

Если оставить V _TH постоянным и применить небольшие изменения к Vout, например, путем изменения RL, изменение Vout, указанное ΔVout, можно записать следующим образом:

9003 2

(2)

Уравнение (2) показывает, что при увеличении тока нагрузки напряжение нагрузки уменьшается из-за выходного сопротивления. Они изменяются в противоположном направлении, и поэтому отрицательный знак, появляющийся в расчетах Rout, компенсируется.

Уравнение (2) также говорит нам о том, что мы можем использовать метод малых изменений сигнала для определения Rout. Если вместо ΔVout и ΔIout мы напишем обозначение малого сигнала v _out и i _out , выходное сопротивление станет равным

(3)

Применим этот метод к неинвертирующему усилителю.

Рисунок 3

Идеальный операционный усилитель может быть представлен в виде зависимого источника, как показано на рисунке 3. Выход источника имеет последовательно включенный резистор, Ro, который является собственным выходным сопротивлением операционного усилителя. Зависимым источником является Ao v

d , где Ao — коэффициент усиления без обратной связи операционного усилителя, а v _d — дифференциальное входное напряжение. Входное дифференциальное сопротивление между входами операционного усилителя считается высоким, поэтому для простоты я его убрал. То же самое с синфазными входными сопротивлениями между неинвертирующим входом и землей и инвертирующим входом и землей. Неинвертирующий вход подключен к земле, потому что источник напряжения с фиксированным значением не вносит никаких изменений с точки зрения изменения слабого сигнала. Таким образом, мы придерживаемся общего правила, согласно которому выходное сопротивление цепи рассчитывается, когда входы цепи подключены к земле.

Проверка петли, созданной Ao v _d , Ro и RL, v _из , может быть выражена следующим уравнением.

(4)

где i _out — ток нагрузки с малым изменением, а i _f — ток обратной связи с малым изменением.

Дифференциальное напряжение v _d появляется на резисторе R1, но с отрицательным знаком, поэтому i _f равно

(5)

И v _из становится

(6)

При этом v _d зависит от v _из .

(7)

После замены v _d в уравнении (6) полученное математическое выражение зависит от v _out и i _из , как в уравнении (8).

(8)

На основании (3) и (8) Маршрут

(9)

Ao большое, около 100000 или 100 дБ. Поэтому второй член знаменателя преобладает.

(10)

Это доказывает, что выходное сопротивление неинвертирующего усилителя равно 9 Ом.0003

(11)

где A _CL =1+R2/R1 и это коэффициент усиления с обратной связью неинвертирующего усилителя. Для доказательства усиления с обратной связью прочитайте эту статью, MasteringElectronicsDesign.com:Как получить передаточную функцию неинвертирующего усилителя.

Как показывает уравнение (11), выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на несколько порядков меньше, чем у операционного усилителя, поскольку Ro делится на коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя. Поэтому выходное сопротивление неинвертирующего усилителя можно считать равным нулю.

Мы используем файлы cookie и другие технологии отслеживания, чтобы улучшить ваш просмотр на нашем сайте, показывать персонализированный контент и таргетированную рекламу, анализировать трафик сайта и понимать, откуда приходит наша аудитория. Чтобы узнать больше, нажмите ссылку Узнать больше. Кроме того, ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности, которая также была обновлена ​​и вступила в силу 24 мая 2018 г. Выбрав «Принимаю», вы соглашаетесь на использование нами файлов cookie и других технологий отслеживания.

Узнать больше.

Операционный неинвертирующий усилитель | Ultimate Electronics Book

Ultimate Electronics: Практические схемы и анализ

---

≡ Оглавление

«

7.3

Опорное напряжение операционного усилителя

»

7,5

Инвертирующий усилитель на операционных усилителях

Схема операционного усилителя, образующая усилитель напряжения, использующая отрицательную обратную связь для умножения входного сигнала на положительный коэффициент усиления, устанавливаемый двумя резисторами. 16 мин чтение

В предыдущих разделах мы показали, что, добавив один провод к идеальному операционному усилителю, мы можем создать буфер напряжения операционного усилителя с коэффициентом усиления 1, используя обратную связь с обратной связью. В этом разделе мы покажем, как добавить два резистора, чтобы получить неинвертирующий усилитель , и выбрать желаемый уровень усиления по напряжению, усиливая сигнал напряжения на Av≥1. .

В частности, мы можем подключить резистивный делитель напряжения к выходу операционного усилителя, а затем соединить средний вывод этого делителя напряжения обратно с инвертирующим входом операционного усилителя:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе

Circuitlab.com/c4wnat6ynz2ek

Править – Моделирование

Как обсуждалось в разделе «Делители напряжения», резисторы R1 и R2 образуют точку промежуточного напряжения, которая пропорциональна выходному сигналу, но масштабируется на меньше в соотношении, определяемом номиналами резисторов.

Это промежуточное напряжение Vdiv затем подключается проводом обратно к инвертирующему (-) входу операционного усилителя.

Концептуально операционный усилитель регулирует свое выходное напряжение до тех пор, пока два его входа не сравняются. Единственный способ сделать два входа операционного усилителя равными — это масштабировать выход пропорционально на 90 264 больше 90 265 таким образом, чтобы компенсировать уменьшение масштаба делителя напряжения.

---

R1 и R2 образуют делитель напряжения, который, как можно предположить, не нагружен, поскольку операционный усилитель имеет нулевой входной ток. Это дает нам одно уравнение:

Vdiv=(R2R1+R2)Vout=fVout

, где f=R2R1+R2 – доля делителя напряжения.

Для удобства давайте определим обратное значение коэффициента делителя напряжения как расчетный коэффициент усиления k :

k=1f=R1+R2R2

Идеальный операционный усилитель изменяет свой выход до тех пор, пока два входа не сравняются. Когда все работает правильно, это дает нам уравнение:

Vin=Vdiv

Мы можем объединить эти два уравнения, чтобы найти взаимосвязь между входом и выходом:

Vin=fVoutVout=1fVinAv=VoutVin=1f=k

Поскольку делитель напряжения может производить только дробь 0≤f≤1 , сигнал усиливается с коэффициентом усиления по напряжению:

Av=1f=k≥1

---

Мы можем смоделировать операционный усилитель как источник напряжения, управляемый напряжением (VCVS), как мы это делали в предыдущих разделах, посвященных операционным усилителям, чтобы выполнить более подробный анализ:

Модель неинвертирующего усилителя на операционном усилителе VCVS

Circuitlab. com/cq3ssz7y3pkpj

Править – Моделирование

VCVS дает нам одно уравнение:

Vout=AOL(Vin−Vdiv)

Делитель напряжения остается разгруженным, поэтому мы все еще можем подставить в наш делитель напряжения дробь Vdiv=fVout и упростить:

Vout=AOL(Vin-fVout)Vout=AOLVin-AOLfVoutVout(1+AOLf)=AOLVinVoutVin=AOL1+AOLf

Для идеального операционного усилителя возьмем предел AOL→∞ , что дает сокращение в числителе и знаменателе:

Av=VoutVin≈1f=k

Опять же, поскольку 0≤f≤1 , поэтому k≥1 , поэтому эта схема производит усиление Av≥1 .

---

Мы можем сделать усилитель с коэффициентом усиления 10, установив делитель напряжения на долю f = 110. . Например:

Пример коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе 10

Circuitlab.com/cnm6354nkc2jm

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какова амплитуда выходного сигнала по сравнению с входным? Можете ли вы изменить R1, чтобы этот усилитель вместо этого имел коэффициент усиления 20?

Концептуально представьте, что мы начинаем со всех напряжений равными нулю. Затем внезапно мы меняем вход на 1 вольт. Операционный усилитель видит большую разницу между его неинвертирующим (+) входом при 1 вольте и его инвертирующим (-) выходом при 0 вольт, поэтому (как обсуждалось в разделе об идеальном операционном усилителе) выход начинает расти. Когда выход достигает 1 вольта, инвертирующий выход по-прежнему видит только 0,1 вольта, поэтому выход продолжает расти. Только при повышении выходного напряжения до 10 вольт делитель напряжения дает 1 вольт на инвертирующем входе, останавливая дальнейшее повышение выходного напряжения.

Мы действительно можем проверить, что происходит, посмотрев на реакцию на шаг :

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с 10-ступенчатой ​​характеристикой

Circuitlab. com/c9xykgb57wstt

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какая кривая соответствует неинвертирующему входу операционного усилителя? Что соответствует инвертирующему входу? Что произойдет, если вы увеличите усиление до 100 и перезапустите симуляцию? (Подсказка: возможно, вам придется изменить время остановки симуляции!)

Чтобы вывести это во времени, мы использовали операционный усилитель с конечным произведением коэффициента усиления на полосу пропускания GBW = 1 ГГц. . (Действительно идеальный операционный усилитель должен иметь GBW=∞ .) Результат показывает, что операционному усилителю требуется несколько наносекунд, чтобы «замкнуть контур» и сбалансировать два входа.

---

В предыдущих разделах мы говорили о реальных операционных усилителях, имеющих конечное произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW). В тот момент было не совсем понятно, зачем умножать (произведение) безразмерное усиление (коэффициент усиления) и полосу пропускания (в Гц), но неинвертирующий усилитель сделает это ясным.

Это проще всего увидеть на примере моделирования, где мы берем операционный усилитель с GBW = 1 МГц. и настроить его как неинвертирующий усилитель с различными уровнями усиления:

Неинвертирующий усилитель на операционных усилителях — компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания

Circuitlab.com/c2v2mwrd2t966

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Мы попросили симулятор повторно запустить эту схему для DC_GAIN = 1, 10, 100, 1000, 10000 и 100000. По мере того, как мы увеличиваем усиление в 10 раз каждый раз (на графике в логарифмической шкале децибелов y- по оси, поэтому они нанесены через равные промежутки +20 дБ шагов), что происходит с уровнем −3 дБ угловая частота отклика усилителя?

Эта симуляция ясно показывает, что чем больше усилителя мы просим усилителя, тем медленнее он становится!

Вы можете убедиться в этом, запустив симуляцию во временной области и посмотрев, сколько времени требуется, чтобы выходной сигнал стабилизировался, скажем, в пределах 5% от его конечного значения. Вы увидите, что каждый раз, когда мы разрабатываем схему с в 10 раз более высоким коэффициентом усиления, для ее установления также требуется в 10 раз больше времени.

Это происходит потому, что коэффициент усиления нашего операционного усилителя не соответствует AOL на высоких частотах; он уменьшается на более высоких частотах. Как показано ранее, передаточная функция Лапласа идеального операционного усилителя без обратной связи:0003

G(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)

Это выражение включает усиление без обратной связи AOL который охватывает постоянный ток и низкие частоты, и он падает после произведения усиления на полосу пропускания GBW . Мы можем подставить это в нашу модель неинвертирующего усилителя, вставив G(s) вместо AOL только для DC :

VoutVin(s)=G(s)1+G(s)fVoutVin(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)1+fAOL1+s(AOL2πGBW)VoutVin(s)=AOL1+s(AOL2πGBW)+fAOLVoutVin (s)=1(f+1AOL)+s(12πGBW)

Это говорит нам о комплексной частотной характеристике неинвертирующего усилителя для входного синусоидального сигнала с частотой s=jω=j2πfs .

(Обратите внимание на возможную путаницу: мы используем f для обозначения безразмерной доли делителя напряжения, а fs для обозначения частоты сигнала в Гц.)

Если мы посмотрим на это выражение только при постоянном токе, то s=0 так:

VoutVin(s=0)=1f+1AOL  (при постоянном токе)

Если умножить числитель и знаменатель на AOL вы увидите, что это идентично AOL1+fAOL выражение, которое мы нашли ранее в этом разделе. И аналогично, поскольку 1AOL≪f , мы можем игнорировать 1AOL срок. (Обратите внимание, что если мы попытаемся использовать делитель напряжения для выбора коэффициента усиления с обратной связью, который аналогичен коэффициенту усиления без обратной связи операционного усилителя или превышает его, то это приближение не будет выполняться, и усилитель не будет работать так, как вы хотите. предназначен, даже в DC.)

Используем это упрощение для замены (f+1AOL)≈f в знаменателе и поместите это обратно в наше предыдущее выражение:

VoutVin(s)=1f+s(12πGBW)

А теперь вместо того, чтобы ссылаться на дробь делителя напряжения 0≤f≤1 , обратимся к его обратному расчетному коэффициенту усиления по напряжению k=1f . Умножение числителя и знаменателя на k :

VoutVin(s)=k1+s(k2πGBW)

Эту передаточную функцию с обратной связью можно разложить на произведение коэффициента усиления k и однополюсный ФНЧ 11+s(k2πGBW) .

Мы можем найти угловую частоту фильтра нижних частот, определив, где мнимая часть знаменателя равна по величине действительной части:

|1|=|s(k2πGBW)||1|=|jωc (k2πGBW)|1=ωc(k2πGBW)1=2πfc(k2πGBW)1=fc(kGBW)fc=GBWk

Это последнее уравнение говорит нам, что угловая частота усилителя с обратной связью fc равен произведению коэффициента усиления на полосу пропускания, деленному на коэффициент усиления:

• Если коэффициент усиления k=10 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц10=105 Гц .
• Если усиление k=100 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц100=104 Гц .
• Если усиление k=1000 и GBW=106 Гц , тогда fc=106 Гц1000=103 Гц .

Для заданного операционного усилителя (т. е. произведения с фиксированным усилением и полосой пропускания) угловая частота замкнутого контура становится ниже, когда вы запрашиваете усиление. Существует прямой компромисс между производительностью усилителя с точки зрения усиления и производительностью с точки зрения полосы пропускания.

Это не просто теория. Вы, вероятно, столкнетесь с этой проблемой при проектировании реальных операционных усилителей! Например, если вам нужно усиление 1000, и вам одновременно нужно обрабатывать сигналы 105 Гц , у вас есть несколько вариантов:

• Используйте более быстрый операционный усилитель. Купите операционный усилитель с большей GBW.
• Разделите общее усиление на несколько этапов. Используйте два или три более медленных операционных усилителя, возможно, увеличивая усиление только на 10 за раз, что позволит вам достичь более высоких угловых частот в каждом каскаде.

Ограниченная частотная характеристика также проявляется как более медленная переходная характеристика во временной области. Смоделируйте приведенную выше схему и посмотрите, сколько времени потребуется, чтобы установить ее окончательное значение после входного шага для различных конфигураций усиления.

---

Обратите внимание, что делитель напряжения уменьшает выходной сигнал на некоторую долю 0≤f≤1 , в то время как общий эффект замкнутой цепи фактически делает выход больше , чем вход на k=1f≥1 .

На самом деле это простой случай распространенной, но запутанной концепции в системах с обратной связью: модификация пути обратной связи (например, умножение на f ) обычно вызывает эффект , обратный , или , обратный (например, умножение на 1f ) для всей системы после применения обратной связи с обратной связью. Это большая идея, и ее может быть трудно понять в целом, но неинвертирующий усилитель иллюстрирует эту концепцию самым простым способом.

Для читателей, знакомых с передаточными функциями: это равносильно утверждению, что передаточная функция обратной связи заканчивается в знаменателе отклика с обратной связью.

В общем, мы можем рассмотреть систему с обратной связью с прямой передаточной функцией G и передаточная функция обратной связи H как показано здесь:

Блок-схема передаточной функции с обратной связью

Circuitlab. com/c42n7tesuxm2d

Править – Моделирование

Для простоты рассмотрим эти множители G и Н быть константами, выполняющими мультипликативное масштабирование их входа.

Наша блок-схема имеет четыре помеченных узла для входа, выхода, ошибок и условий обратной связи.

Три элемента блок-схемы (одно вычитание и два умножения передаточных функций) позволяют построить систему из трех уравнений:

Verr=Vin−VfbVfb=H⋅VoutVout=G⋅Verr

-петлевая связь между входом и выходом, без Verr или вфб условия. Мы можем объединить приведенные выше уравнения, заменив Vfb и Верр найти:

Vout=G⋅(Vin−H⋅Vout)Vout=G⋅Vin−GH⋅VoutVout(1+GH)=G⋅VinVoutVin=G1+GH

Последнее уравнение представляет собой передаточную функцию с обратной связью , и он связывает вход с выходом после рассмотрения эффектов петли обратной связи. Это общий результат, который весьма полезен!

Особенно интересно рассмотреть, что происходит, когда |GH|≫1 . В этом случае мы можем аппроксимировать, что 1+GH≈GH в знаменателе, и в этом случае уравнение упрощается:

VoutVin≈GGH=1H(if |GH|≫1)

Это замечательный результат: если величина коэффициента усиления контура |GH| велика по сравнению с 1, то передаточная функция вперед G фактически отменяется из результата замкнутого контура, а отклик замкнутого контура определяется только обратной величиной передаточной функции обратной связи, 1H .

В случае неинвертирующего усилителя на операционном усилителе при постоянном токе прямая передаточная функция G=AOL , коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Передаточная функция обратной связи H=f , доля делителя напряжения, так как только часть выходного сигнала возвращается на вход.

Поскольку типичные значения для AOL≫100000 и дробь 0≤f≤1 , произведение |GH|=|fAOL|≫1 для всех, кроме очень маленьких значений f . (Мы будем игнорировать этот диапазон очень малых f значений, поскольку они представляют собой условие, при котором мы пытаемся спроектировать неинвертирующий усилитель, который имеет коэффициент усиления с обратной связью больше, чем коэффициент усиления без обратной связи усилителя, который не будет работать!) Таким образом, коэффициент усиления с обратной связью равен только:

VoutVin≈1f=k

Когда мы заботимся об отклике систем с частотно-зависимым поведением, например, когда мы анализировали компромисс между усилением и полосой пропускания выше, мы все еще можем применить область Лапласа к тому же общему замкнутому -цикл результат:

Vout(s)Vin(s)=G(s)1+G(s)H(s)

---

что определяет нашу прибыль. (Мы даже можем использовать потенциометр для создания усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.)

Но как выбрать абсолютные значения резисторов ? Если мы хотим спроектировать усилитель с коэффициентом усиления Av=10 , почему мы должны выбрать (R1=90 кОм, R2=10 кОм) вместо (R1=9 Ом, R2=1 Ом) , даже если оба дают одинаковый коэффициент делителя напряжения?

Ответы аналогичны компромиссам, обсуждавшимся в разделе Делители напряжения. Есть проблемы и недостатки в любой крайности:

Если сопротивления слишком малы:

• Чрезмерное энергопотребление. Рассеивание мощности на резисторах становится значительным, что может привести к перегреву резисторов или даже самого операционного усилителя.
• Выходное сопротивление и предельные значения шины питания. Реальные операционные усилители имеют ненулевое выходное сопротивление. Их способность управлять большими токами особенно ухудшается вблизи питающих шин. Вы можете обнаружить, что выходной диапазон скомпрометирован при использовании слишком маленьких резисторов.

Вот симуляция, показывающая последнюю проблему:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе — отсечение из-за выходного импеданса

Circuitlab.com/c2xqt2ju44bm7

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Синусоида амплитудой 1 В усиливается на k=10 , который должен соответствовать шинам питания 10 В. Однако этот операционный усилитель имеет выходное сопротивление RO=10 Ом. , что ограничивает его способность управлять выходом вблизи рельсов. Как выглядит полученный сигнал? Что произойдет, если вы измените R1 и R2, чтобы оба были в 2 раза меньше или больше?

Обратите внимание, что эта проблема усугубляется, если выход операционного усилителя загружен. В качестве упражнения добавьте сопротивление нагрузки к выходу и посмотрите, как изменится сигнал.

Эти проблемы вызывают нелинейное отсечение , что разрушает информацию и вызывает искажение для всех последующих стадий сигнала.

Если сопротивления слишком велики:

• Чрезмерный шум. Помехи напряжения резистора увеличиваются по мере увеличения сопротивления.
• Ошибка загрузки из-за входного тока операционного усилителя. В то время как идеальный операционный усилитель имеет нулевой входной ток, реальные операционные усилители обычно имеют небольшой ток на своих входах. Если резисторы делителя напряжения слишком велики, это может вызвать нежелательное падение напряжения, что приведет к нежелательному смещению.
• Проблемы со стабильностью. Паразитные емкости сильнее влияют на узлы с высоким импедансом. При обратной связи с высоким коэффициентом усиления это становится особенно опасным. Мы обсудим это далее.

В типовом проекте обычно выбирают значения в диапазоне:

1 кОм≤(R1+R2)≤1 МОм

Это уже очень широкий диапазон, поэтому не удивляйтесь, если вы увидите какие-то конструкции операционных усилителей за его пределами, но вам следует перепроверить, не могут ли они быть склонным к одной или нескольким из вышеперечисленных проблем.

---

Что произойдет, если в цепи обратной связи появится непреднамеренная, но неизбежная паразитная емкость? Давайте смоделируем это как конденсатор между инвертирующим входом и землей. Концептуально мы можем проследить, как идеальный операционный усилитель регулирует свой выход вверх или вниз в зависимости от непосредственной разницы на его входах:

1. Входной сигнал скачка напряжения на неинвертирующем выводе заставляет выходной сигнал операционного усилителя увеличиваться и возрастать.
2. Повышение выхода начинает подавать ток через делитель напряжения. Но из-за емкости возрастающий выход не сразу распространяется обратно на инвертирующий вход.
3. Для зарядки конденсатора требуется время, и он может заряжаться только через резисторы. Это требует времени.
4. В результате выходной сигнал операционного усилителя продолжает расти и расти. Если емкость достаточно велика, выходной сигнал операционного усилителя продолжает увеличиваться далеко за пределы точки, в которой он должен стабилизироваться, потому что конденсатор все еще заряжается. это называется перерегулирование .
5. В конце концов, конденсатор заряжается до уровня, когда он соответствует и даже превышает неинвертирующее входное напряжение. В этот момент операционный усилитель начинает уменьшать выходную мощность.
6. Однако, поскольку выходной сигнал по-прежнему выше точки установившегося состояния, конденсатор все еще заряжается, все выше и выше, что приводит к дальнейшему перерегулированию!
7. В конце концов выходной сигнал падает настолько, что конденсатор начинает разряжаться.
8. Колебания (также называемые звонит ) в конечном итоге стабилизируются до установившейся точки, где конденсатор не заряжается и не разряжается на выходе.

По сути, у нас есть две медленные вещи, преследующие друг друга:

1. Операционный усилитель и его продукт с ограниченным усилением и полосой пропускания, и
2. RC-цепь, состоящая из делителя напряжения и емкости.

В этом моделировании вы можете видеть, что когда паразитная емкость C1 достаточно велика, напряжение на конденсаторе продолжает расти далеко за пределы ожидаемого, не в фазе с пиком выходного напряжения:

Проблемы стабильности паразитной емкости обратной связи неинвертирующего усилителя ОУ

Circuitlab. com/ctahy46huss23

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Как даже несколько пикофарад паразитной емкости влияют на переходную характеристику?

В качестве упражнения попробуйте увеличить R1 и R2 в 10 раз. Что происходит сейчас?

Изменится ли что-нибудь, если C1 подключить между двумя входами операционного усилителя, а не между инвертирующим входом и землей? Почему или почему нет?

Паразитная емкость — реальная проблема быстродействующих усилителей, и одна из них — проблемы со стабильностью контура обратной связи. Мы называем это стабильностью , потому что в крайних случаях это может стать нестабильным и колебаться вечно, никогда не устанавливаясь на окончательное значение. (Вы можете приблизиться к этому в симуляторе, сделав C1 очень большим. В симуляторе он в конечном итоге установится, но в реальном мире он может фактически колебаться вечно из-за дополнительной задержки, вызванной скоростью света, если ничего другого!)

Существует несколько способов решения этой проблемы:

1. Разместить физическую схему так, чтобы уменьшить паразитную емкость.
2. Используйте меньшее сопротивление.
3. Используйте более медленный операционный усилитель (более низкий GBW) и примите более медленные отклики в обмен на стабильность.
4. Добавьте конденсатор компенсации прямой связи, как мы покажем далее.

---

Последний вариант решения нашей проблемы со стабильностью стоит кратко продемонстрировать. Мы можем добавить небольшую Конденсатор компенсации прямой связи С2 параллельно R1.

(Помните, что C1 не является компонентом конденсатора, который мы покупаем и устанавливаем в нашу схему, а представляет собой просто паразитную емкость, возникающую из-за схемы схемы. Напротив, C2 является преднамеренно добавленным конденсатором, хотя паразиты могут способствовать это тоже.)

Этот добавленный конденсатор действительно помогает, потому что он помогает передать увеличение выходного напряжения непосредственно от выхода в паразитную емкость C1, без задержки ожидания, пока C1 зарядится через R1.

Выбор значения для C2 сложен и зависит от расчетного коэффициента усиления усилителя, произведения коэффициента усиления операционного усилителя на полосу пропускания, задействованных сопротивлений и значения паразитной емкости. Тем не менее, можно выбрать с помощью моделирования или экспериментов. Вот пример, где мы проверяем разные номиналы компенсационных конденсаторов:

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе — компенсационный конденсатор с прямой связью

Circuitlab.com/c9wqubpx4g4g5

Править – Имитация

Упражнение Нажмите, чтобы открыть и смоделировать приведенную выше схему. Какую емкость лучше выбрать для C2 в этой ситуации?

• Если компенсационная емкость слишком мала (или равна нулю), у нас будет нестабильность и перерегулирование переходной характеристики.
• Если компенсационная емкость слишком велика, это слишком сильно замедлит переходную характеристику усилителя.