В чем различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителем
Видео: НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ | РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Инвертирующий и не инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель — это два усилителя, которые разработаны с использованием операционного усилителя. Инвертирующий усилитель использует инвертирующий вход операционного усилителя в качестве основного входа, в то время как неинвертирующий вход заземляется. Неинвертирующий усилитель использует неинвертирующий вход операционного усилителя в качестве основного входа, в то время как инвертирующий вход заземляется. Оба этих режима усилителя очень важны в схемах операционных усилителей. Эти схемы широко используются для добавления схем, умножителей, дифференцирующих схем, интегральных схем, логических вентилей и многих других схем, разработанных с использованием операционного усилителя. В этой статье мы собираемся обсудить, что такое инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель, их применение, сходство между ними и, наконец, разницу между инвертирующим усилителем и неинвертирующим усилителем.
Что такое инвертирующий усилитель?
Чтобы понять, что такое инвертирующий усилитель, нужно сначала понять, что такое операционный усилитель. Операционный усилитель имеет две входные клеммы, два входа питания и одну выходную клемму. Входные клеммы известны как инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное усиление с бесконечным сопротивлением между входными клеммами и нулевым сопротивлением на выходной клемме. На практике входное сопротивление очень велико, а выходное сопротивление очень мало. Максимальное выходное напряжение операционного усилителя равно рабочему напряжению, поступающему от внешнего источника питания. Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель, что означает, что усилитель усиливает разницу напряжений между инвертирующим входом и неинвертирующим входом.
Инвертирующий усилитель спроектирован так, что он дает вход на инвертирующий вход и заземляет неинвертирующий конец.Выходной сигнал насыщается даже при очень слабом входном сигнале из-за теоретического бесконечного усиления операционного усилителя. Выходной сигнал на 1800 не совпадает по фазе (инвертирован) с входным сигналом. Резистор обратной связи и входной резистор подключаются к схемам для уменьшения усиления и стабилизации сигнала. Инвертирующий усилитель имеет линейное изменение по отношению к инверсии входного резистора, когда резистор обратной связи фиксирован.
Что такое неинвертирующий усилитель?
Неинвертирующий усилитель — это еще один вариант усилителя, разработанный с использованием операционного усилителя. Выходной сигнал, когда вход подается на неинвертирующий вход, находится в фазе с входным сигналом. Когда подан резистор обратной связи с отрицательной обратной связью и установлен входной резистор, усилитель стабилизируется. В этом режиме усилитель имеет линейную зависимость между усилением и обратной величиной входного резистора, когда резистор обратной связи фиксирован. Однако существует значение усиления, когда резистор обратной связи равен нулю. Это делает неинвертирующий усилитель бесполезным в схемах сложения, умножения и вычитания.
В чем разница между инвертирующим усилителем и неинвертирующим усилителем?
• Инвертирующий усилитель дает инвертированный выход, тогда как неинвертирующий усилитель дает выходной сигнал, совпадающий по фазе с входным сигналом.
• Коэффициент усиления инвертирующего усилителя при использовании с отрицательной обратной связью прямо пропорционален отношению резистора обратной связи / входного резистора. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также пропорционален вышеуказанному коэффициенту, но со значением точки пересечения.
В чем различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителем
Видео: Разбираемся с операционным усилителем
Содержание
Электронный усилитель повышает ток или напряжение входящего сигнала. Эти устройства бывают двух видов. Выход неинвертирующего усилителя точно соответствует входному напряжению. Инвертирующий усилитель смещает вход на 180 градусов, поэтому положительные значения становятся отрицательными, и наоборот. Операционный усилитель объединяет оба типа в одной удобной упаковке.
Операционный усилитель
Инженеры-электронщики создали пакетную схему, называемую операционным усилителем или операционным усилителем. Он выполняет множество основных задач усиления в формате с тремя подключениями: инвертирующий вход, неинвертирующий вход и выход. Разработчики электроники рассматривают интегральную схему операционного усилителя, или IC, как «черный ящик», и им необходимо знать только его общее поведение, а не детали его внутренних частей. Разработчики могут использовать либо инвертирующие, либо неинвертирующие входы или оба вместе, в зависимости от своих целей.
Инвертирующий ввод
Инвертирующий вход меняет знак входного напряжения, поэтому положительное напряжение на входе отображается как отрицательное на выходе. Для некоторых применений знак выходного напряжения не имеет значения, поэтому инженер может использовать инвертирующий вход, если это упрощает конструкцию схемы. Для других целей, таких как подавление положительного напряжения отрицательным, инвертирующий вход позволяет схеме избирательно удалять сигналы. Инвертирующий вход также принимает обратную связь от выхода усилителя. Без обратной связи операционный усилитель имеет бесконечное усиление или потенциал усиления, поэтому любой положительный сигнал направляет выходной сигнал к положительному напряжению питания усилителя. Этот полезный процесс также производит серьезные искажения. Возврат части сигнала на инвертирующий вход уменьшает усиление до разумного значения и обеспечивает точное воспроизведение сигнала.
Неинвертирующий ввод
Принимая во внимание, что инвертирующий вход производит «зеркальное отображение» напряжения на выходе, неинвертирующий вход производит усиленную копию на выходе. Неинвертирующий вход позволяет разработчику воспроизводить сигналы максимально близко. Например, сигнал постоянного тока или постоянного тока более чувствителен к обратному знаку, чем аудиосигнал, поэтому разработчик, скорее всего, выберет неинвертирующий вход для постоянного тока. В отличие от инвертирующего входа, неинвертирующий вход обычно не принимает обратную связь, что увеличило бы коэффициент усиления, который уже бесконечен.
Сложение и вычитание
Среди множества трюков операционного усилителя он может объединять сигналы. Аудиоинженер использует многоканальную консоль для микширования сигналов микрофона от вокалистов и инструментов. В основе микшера операционный усилитель добавляет сигнал от каждого из микрофонных входов микшера, чтобы создать песню со всеми правильно сбалансированными ее частями. Операционный усилитель может добавлять сигналы с любого из двух входов. Когда несколько источников поступают на инвертирующий вход, они складываются вместе, прежде чем инвертировать. Те, которые поступают на неинвертирующий вход, просто складываются вместе. Затем операционный усилитель вычитает сумму инвертированных входов из суммы неинвертирующих входов. Комбинации различных входов дают разработчику гибкость в создании схем.
Основные свойства ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители
1.Плакаты: Каскады операционных усилителей, Применение операционных усилителей.
2.Демонстрационное оборудование на основе ПЭВМ, набор демонстрационных файлов.
В настоящее время при проектировании электронных средств широко используют не дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. п.), а законченные функциональные узлы, выполненные в виде аналоговых ИС. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплуатационные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования, которое фактически сводится к разработке структуры, удовлетворяющей поставленным требованиям, выбору необходимых аналоговых ИС и согласованию их входных и выходных характеристик. К аналоговым ИС относятся усилители постоянного тока, схемы сравнения (компараторы), источники питания (стабилизаторы напряжения), схемы звуковоспроизводящей и радиоприемной аппаратуры. Однако, несмотря на различие используемой элементной базы, функционального назначения и технологии изготовления основой большинства из них является схемотехника ОУ.
Основные свойства ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители.
Под ОУ понимают особый класс микроэлектронных устройств, обладающих высоким собственным усилением, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным. По своему схемному построению ОУ являются усилителями постоянного тока, выполненными по дифференциальной схеме.
ОУ изготовляется в видеаналоговой интегральной схемы и имеет, как минимум, пять выводов. Условное графическое изображение на рис. 1. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) — инвертирующим. Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями Uвх1 и Uвх2 соотношением
где КU0 — собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).
В ОУ КU0 должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 10 5 ¸ 10 6 или 100 ¸ 120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ЕП, —ЕП) ± 3 ¸ ± 18 В.
Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид логарифмической АЧХ усилителя. Они строятся на основе двух-, трех- и более каскадных усилителей постоянного тока.
Основные параметры и свойства операционных усилителей:
1. Коэффициент усиления по напряжению характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал:
, КU0 = 10 5 ¸ 10 6 (100 ¸ 120 дБ).
2. Входное напряжение смещения. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому Uвых= 0 при Uвx= 0. Иногда это напряжение называют напряжением сдвига нуля. Типовое значение этого напряжения — единицы — десятки милливольт.
3. Входной ток смещения Iвх — ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типовое значение этого тока — единицы мкА — сотни нА.
4. Входное сопротивление Rвx. Различают дифференциальное входное сопротивление Rвх диф и синфазное входное сопротивление Rвх син. При этом Rвх диф определяется как сопротивление между входами усилителя, а Rвх син — как сопротивление между объединенными входными выводами и нулевой шиной.
Повышение входного сопротивления достигается применением во входных каскадах специальных транзисторов, отличающихся большим коэффициентом усиления по току (единицы тысяч) за счет использования в них предельно тонкой базы или применением ПТ. Типовое значение входного сопротивления — сотни кОм.
5. Выходное сопротивление Rвых — это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления — сотни ом.
6. Максимальная скорость изменения выходного напряжения V характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Типовое значение скорости изменения выходного напряжения — единицы В/мкс.
7. Частота единичного усиления Fmax — это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких МГц.
Качество ОУ определяется тем, насколько перечисленные и ряд других свойств приближаются к предельно достижимым.
Для идеального ОУ:
1. Коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности .
2. Входное сопротивление стремится к бесконечности .
3. Выходное сопротивление стремится к нулю .
4. Если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю .
5. Бесконечная полоса усиливаемых частот — .
6. Напряжение и ток шума равны 0.
Для получения коэффициента передачи, превышающего единицу (в отличие от повторителя напряжения) в схеме данной на рис.1, необходимо обеспечить . Для этого в цепь ООС необходимо ввести делитель напряжения (рис. 6). Такой усилитель называется неинвертирующим усилителем.
Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения
Тогда коэффициент передачи усилителя
С учетом окончательно получим
Часто единицей в выражении (2) можно пренебречь и при определении коэффициента передачи использовать упрощенное выражение
Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:
— коэффициент передачи неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС, ;
— при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы, т.е. , т.к. ;
— коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не зависит от , т.е. получили стабильную цепь на не стабильном элементе (за счет глубокой ОС);
— обратная связь в неинвертирующем усилителе увеличивает Zвх ОУ, т.к. ОС является по входу последовательной: . При = 10 3 ¸ 10 5 и входное сопротивление увеличивается в 10 ¸ 1000 раз;
— обратная связь в неинвертирующем усилителе уменьшает Zвых ОУ, т.к. ОС является по выходу параллельной:
При = = 10 3 ¸ 10 5 и выходное сопротивление уменьшается в 10 ¸ 1000 раз;
— в неинвертирующем усилителе фазы входного и выходного напряжений совпадают, ;
— увеличение коэффициента передачи цепи ООС (увеличение глубины ОС) улучшает стабильность схемы, Uвых= Uвх. Чем ближе к единице, тем глубже ООС и, следовательно, тем стабильнее схема.
Таким образом, неинвертирующий усилитель — это ОУ, охваченный ООС по неинвертирующему входу. Устройство, созданное по схеме используется как развязывающее устройство.
В чем различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителем
Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.
Автор:
Опубликовано 06.07.2006
Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак — операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ — два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже — у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ — Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов — зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три — можно назвать их ТриО (или ООО — кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ — как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить — подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax — частота синусоидального сигнала, Vmax — скорость нарастания сигнала, Uвых — максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост — приступим к главной задаче этого опуса — куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель.
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема — инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса — соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается — допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Едем дальше — неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет — фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току — установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.
Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.
Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались — дальше у нас по плану — фильтры.