Неинвертирующая конфигурация операционного усилителя
Узнайте о неинвертирующих усилителях.
Упомянутая в предыдущей статье, первом из двух наиболее часто используемых операционных усилителей, инвертирующая конфигурация сильно используется в аудиомикшерах или преобразователях цифрового звука. В этой статье мы обсудим вторую конфигурацию усилителя, известную как неинвертирующий усилитель.
Предыдущая статья
Инвертирующая конфигурация усилителя
Неинвертирующая конфигурация
Вторая замкнутая конфигурация операционного усилителя, о которой мы расскажем в этой серии статей, относится к неинвертирующему операционному усилителю и показана на рисунке 1. В этой конфигурации входной сигнал v1 применяется правильно в положительную клемму (или неинвертирующую клемму) операционного усилителя и отрицательную клемму (или инвертирующую клемму) резистор R1 соединен с землей. Это означает, что выходное усиление операционного усилителя изменяется на «положительное» значение; с другой стороны, в инвертирующем усилителе мы видели, что выходное усиление отрицательно по величине. Из этого мы видим, что это приведет к тому, что выходной сигнал будет находиться в фазе с входным сигналом.
Усиление с закрытой петлей
Анализируя неинвертирующую схему, мы можем определить ее коэффициент замкнутого контура (v0 / v1) и проиллюстрирован на рисунке 1.2. Порядок работы и процедура обозначаются номерами в коробке на рисунке. Предположим, что операционный усилитель считается идеальным с бесконечным усилением, мы видим, что существует «виртуальное короткое замыкание», которое существует между инвертирующими и неинвертирующими входными терминалами. Разницу во входном сигнале можно отметить как
$$ v_ {id} = \ frac {v_ {0}} {A} = 0 $$ для $$ A = \ infty $$
Положив слова, на инвертирующем входном терминале напряжение будет эквивалентно значению напряжения, которое в настоящее время находится на неинвертирующей входной клемме, известной как приложенное напряжение v1. Ток, который протекает через R1, может быть описан как v1 / R1. В связи с тем, что (идеальный) операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс, ток через R1 будет протекать и через R2. Теперь мы можем рассчитать выходное напряжение от
$$ v_ {0} = v_ {1} + \ left ( frac {v_ {1}} {R_ {1}} right) R_ {2} $$
РИСУНОК 1.1: Неинвертирующая конфигурация
Которая обеспечивает
$$ \ frac {v_ {0}} {v_ {1}} = 1 + \ frac {R_ {1}} {R_ {2}} $$ (уравнение 1.1)
РИСУНОК 1.2
Кроме того, проверяя неинвертирующую конфигурацию, мы можем увидеть, как она работает. Из-за тока, который течет непосредственно в инвертирующую клемму операционного усилителя, равен нулю, два резистора R1 и R2 действуют как делитель напряжения, который позволяет малой части выходного напряжения возвращаться к инвертирующей входной клемме. Это написано
$$ v_ {1} = v_ {0} left ( frac {R_ {1}} {R_ {1} + R_ {2}} right) $$ (Eq 1.2)
Таким образом, создаваемый бесконечный коэффициент усиления и «виртуальное короткое замыкание», расположенное между инвертирующими и неинвертирующими терминалами операционного усилителя, заставит напряжение быть эквивалентным напряжению, подаваемому на неинвертирующий входной терминал. Затем, $$ v_ {0} left ( frac {R_ {1}} {R_ {1} + R_ {2}} right) = v_ {1} $$
Который обеспечивает выражение усиления операционного усилителя в уравнении 1.1.
Мы остановимся на замечании о присутствии и действии отрицательной обратной связи, возникающей в неинвертирующей конфигурации рис. 1.1. Путем увеличения v1, vid будет увеличиваться, следовательно, v0 соответственно увеличится из-за высокого коэффициента усиления (идеального) операционного усилителя. Однако, когда v0 соответственно увеличивается, небольшая часть возвращается обратно в инвертирующую входную клемму через два резистора (или делитель напряжения). Цель этой обратной связи состоит в том, чтобы противодействовать увеличению напряжения в vid и понизить его до нуля, хотя это более высокое значение v0, которое действительно соответствует увеличению v1. Это то, что называется дегенеративным действием, поэтому обратной связи дается название дегенеративной обратной связи.
Конечные эффекты усиления с открытым контуром
Так же, как это было сделано для инвертирующей конфигурации, мы теперь рассмотрим влияние конечного коэффициента усиления открытого усилителя A в этой конфигурации. Предполагая, что операционный усилитель должен быть идеальным для ожидаемого усиления A, мы можем показать, что коэффициент замкнутого контура неинвертирующей конфигурации на
$$ G = \ гидроразрыва {V_ {0}} {V_ {1}} = \ гидроразрыва {1+ (R_ {2} / R_ {1})} {1+ \ гидроразрыва {1+ (R_ {2} / R_ {1})} {A}} $$ (уравнение 1.3)
Важно, что для обеих конфигураций, инвертирующих и неинвертирующих, знаменатель уравнения 1.3 идентична. Это связано с тем, что обе конфигурации имеют одинаковую цепь обратной связи, что легко увидеть, если источник входного сигнала закорочен. Только знаменатели идентичны, потому что числители дают идеальный коэффициент замкнутого контура (- R 2 / R 1 для инвертирования и 1 + R 2 / R 1 для неинвертирования). Еще одно замечание состоит в том, что выражение усиления в уравнении 1.3 можно упростить и, таким образом, дать идеальное значение для $$ A = \ infty $$
сопротивление
Коэффициент усиления A этой конфигурации положительный, следовательно, почему он называется неинвертирующим. Глядя на вход, импеданс усилителя с замкнутым контуром идеально бесконечен, из-за отсутствия тока, втекающего в неинвертирующий входной терминал операционного усилителя. Теперь, глядя на другой конец, вывод должен быть сделан на клеммах источника напряжения $$ A (v_ {2} -v_ {1}) $$, оставляя выходное сопротивление неинвертирующей конфигурации равным равна нулю.
Подзарядка напряжения
Высокий входной импеданс обладает свойством, которое играет ключевую роль неинвертирующей конфигурации. Этот импеданс позволяет использовать схему в качестве буферного усилителя, который подключается к источнику, который переходит от нагрузки с высоким до низкого импеданса. Во многих случаях приложения, использующие буферные усилители, не требуются для обеспечения какого-либо усиления напряжения. Вместо этого он используется как импедансный трансформатор или усилитель мощности. В этих приложениях R 2 = 0 и $$ R_ {1} = \ infty $$ для обеспечения усилителя с единичным усилением, показанного на рис. 1.3 (a). Эта схема широко известна как последователь напряжения. Это известно как последователь, так как выход следует за напряжением входа. Говоря об идеальном случае, v 0 = v 1, $$ R_ {in} = \ infty $$, $$ R_ {out} = 0 $$, а схема показана на рис. 1.3 (b).
РИСУНОК 1.3 (a) (b)
В связи с тем, что весь выход цепи цепей напряжения подается обратно на инвертирующий вход, теперь считается, что схема имеет отрицательную обратную связь на 100%. Бесконечное усиление идеального операционного усилителя теперь будет действовать, чтобы гарантировать, что v id = 0 и, следовательно, v 0 = v 1.
Вывод
В заключение этой статьи обсуждалась и объяснялась неинвертирующая конфигурация. Я надеюсь, что вы получили лучшее понимание цели этого усилителя, а также того, как он работает. Будь то буферный усилитель или импедансный трансформатор, вы найдете в нем неинвертирующий усилитель. При обсуждении неинвертирующих усилителей следует помнить о двух вещах: ток не проходит через неинвертирующий входной терминал и что входной сигнал подается на неинвертирующий терминал. Из этих двух правил мы получили уравнение для вычисления коэффициента усиления замкнутого контура неинвертирующего усилителя. Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, оставьте их ниже!