Operationsverstärker invertieren

Der Operationsverstärker (Operationsverstärker) ist das Rückgrat der analogen Elektronik. Ein Operationsverstärker ist eine DC-gekoppelte elektronische Komponente, die die Spannung von einem Differenzeingang unter Verwendung einer Widerstandsrückkopplung verstärkt. Operationsverstärker sind wegen ihrer Vielseitigkeit beliebt, da sie auf viele Arten konfiguriert und in verschiedenen Aspekten verwendet werden können. Eine Operationsverstärkerschaltung besteht aus wenigen Variablen wie Bandbreite, Eingangs- und Ausgangsimpedanz, Verstärkungsspanne usw. Verschiedene Klassen von Operationsverstärkern haben je nach diesen Variablen unterschiedliche Spezifikationen. Es gibt viele Operationsverstärker in verschiedenen IC-Gehäusen. Einige Operationsverstärker verfügen über zwei oder mehr Operationsverstärker in einem einzigen Gehäuse. LM358, LM741, LM386 sind einige häufig verwendete Operationsverstärker-ICs. Weitere Informationen zu Operationsverstärkern finden Sie in unserem Abschnitt über Operationsverstärkerschaltungen.

Ein Operationsverstärker hat zwei differentielle Eingangspins und einen Ausgangspin zusammen mit Leistungspins. Diese beiden Differenzeingangspins sind invertierender Pin oder negativer und nicht invertierender Pin oder positiver. Ein Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Eingangspins und liefert den verstärkten Ausgang über seinen Vout- oder Ausgangspin.

Je nach Eingangstyp kann der Operationsverstärker als invertierender Verstärker oder nicht invertierender Verstärker klassifiziert werden. Im vorherigen Tutorial zum nicht invertierenden Operationsverstärker haben wir gesehen, wie der Verstärker in einer nicht invertierenden Konfiguration verwendet wird. In diesem Tutorial erfahren Sie, wie Sie den Operationsverstärker in invertierender Konfiguration verwenden.

Invertieren der Operationsverstärkerkonfiguration

Es wird als invertierender Verstärker bezeichnet, da der Operationsverstärker den Phasenwinkel des Ausgangssignals in Bezug auf das Eingangssignal genau um 180 Grad phasenverschoben ändert. Wie zuvor verwenden wir zwei externe Widerstände, um eine Rückkopplungsschaltung zu erzeugen und eine geschlossene Schleife über dem Verstärker zu erzeugen.

In der nicht invertierenden Konfiguration haben wir eine positive Rückkopplung über den Verstärker bereitgestellt, aber in der invertierenden Konfiguration erzeugen wir eine negative Rückkopplung über die Operationsverstärkerschaltung.

Sehen wir uns das Anschlussdiagramm zum Invertieren der Operationsverstärkerkonfiguration an

In dem obigen invertierenden Operationsverstärker können wir sehen, dass R1 und R2 die notwendige Rückkopplung über die Operationsverstärkerschaltung liefern. Der R2- Widerstand ist der Signaleingangswiderstand und der R1- Widerstand ist der Rückkopplungswiderstand. Diese Rückkopplungsschaltung zwingt die differentielle Eingangsspannung auf nahezu Null.

Die Rückkopplung wird über den Minuspol des Operationsverstärkers und der Pluspol über Masse geschaltet. Das Spannungspotential am invertierenden Eingang ist das gleiche wie das Spannungspotential des nicht invertierenden Eingangs. Über den nicht invertierenden Eingang wird also ein Summierungspunkt für die virtuelle Erde erstellt, der auf dem gleichen Potenzial wie der Boden oder die Erde liegt. Der Operationsverstärker fungiert als Differenzverstärker.

Im Falle eines invertierenden Operationsverstärkers fließt kein Strom in den Eingangsanschluss. Außerdem ist die Eingangsspannung gleich der Rückkopplungsspannung über zwei Widerstände, da beide eine gemeinsame virtuelle Erdungsquelle sind. Aufgrund der virtuellen Masse ist der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers gleich dem Eingangswiderstand des Operationsverstärkers, der R2 ist. Dieses R2 hat eine Beziehung zur Verstärkung im geschlossenen Regelkreis und die Verstärkung kann durch das Verhältnis der als Rückkopplung verwendeten externen Widerstände eingestellt werden.

Da im Eingangsanschluss kein Strom fließt und die differentielle Eingangsspannung Null ist, können wir die Regelverstärkung des Operationsverstärkers berechnen. Erfahren Sie mehr über die Konstruktion des Operationsverstärkers und seine Funktionsweise, indem Sie dem Link folgen.

Gewinn des invertierenden Operationsverstärkers

In der obigen Abbildung sind zwei Widerstände R2 und R1 dargestellt, bei denen es sich um die Spannungsteiler-Rückkopplungswiderstände handelt, die zusammen mit dem invertierenden Operationsverstärker verwendet werden. R1 ist der Rückkopplungswiderstand (Rf) und R2 ist der Eingangswiderstand (Rin). Wenn wir den durch den Widerstand fließenden Strom berechnen, dann-

i = (Vin - Vout) / (Rin (R2) - Rf (R1))

Da der Dout der Mittelpunkt des Teilers ist, können wir daraus schließen

Wie zuvor beschrieben, beträgt die Rückkopplungsspannung aufgrund der virtuellen Masse oder des gleichen Knotensummierungspunkts 0, Dout = 0. Also,

Die invertierende Verstärkerformel für die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis lautet also

Gewinn (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)

Aus dieser Formel erhalten wir also eine der vier Variablen, wenn die anderen drei Variablen verfügbar sind. Operationsverstärker Der Verstärkungsrechner kann verwendet werden, um die Verstärkung eines invertierenden Operationsverstärkers zu berechnen.

Wie wir in der Formel ein negatives Vorzeichen sehen können, ist der Ausgang im Gegensatz zur Phase des Eingangssignals um 180 Grad phasenverschoben.

Praktisches Beispiel für einen invertierenden Verstärker

In der obigen Abbildung ist eine Operationsverstärkerkonfiguration dargestellt, bei der zwei Rückkopplungswiderstände die erforderliche Rückkopplung im Operationsverstärker bereitstellen. Der Widerstand R2, der der Eingangswiderstand ist, und R1 ist der Rückkopplungswiderstand. Der Eingangswiderstand R2 mit einem Widerstandswert von 1 kOhm und der Rückkopplungswiderstand R1 haben einen Widerstandswert von 10 kOhm. Wir werden die invertierende Verstärkung des Operationsverstärkers berechnen. Die Rückmeldung erfolgt im Minuspol und der Pluspol ist mit Masse verbunden.

Die Formel zum Invertieren der Verstärkung der Operationsverstärkerschaltung

Gewinn (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin)

In der obigen Schaltung ist Rf = R1 = 10k und Rin = R2 = 1k

Also, Gewinn (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Gewinn (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Die Verstärkung beträgt also das 10-fache und der Ausgang ist um 180 Grad phasenverschoben.

Wenn wir nun die Verstärkung des Operationsverstärkers auf das 20-fache erhöhen, wie hoch ist dann der Rückkopplungswiderstandswert, wenn der Eingangswiderstand der gleiche ist? Damit, Verstärkung = -20 und Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Wenn wir also den 10k-Wert auf 20k erhöhen, beträgt die Verstärkung des Operationsverstärkers -20-mal.

Wir können die Verstärkung des Operationsverstärkers erhöhen, indem wir das Verhältnis der Widerstände ändern. Es ist jedoch nicht ratsam, einen niedrigeren Widerstand als Rin oder R2 zu verwenden. Wenn der niedrigere Wert des Widerstands die Eingangsimpedanz senkt und das Eingangssignal belastet. In typischen Fällen wird für den Eingangswiderstand ein Wert von 4,7 k bis 10 k verwendet.

Wenn eine hohe Verstärkung erforderlich ist und wir eine hohe Impedanz im Eingang sicherstellen sollten, müssen wir den Wert der Rückkopplungswiderstände erhöhen. Es ist jedoch auch nicht ratsam, einen sehr hochwertigen Widerstand über Rf zu verwenden. Ein höherer Rückkopplungswiderstand bietet eine instabile Verstärkungsspanne und kann für Operationen mit begrenzter Bandbreite keine praktikable Wahl sein. Ein typischer Wert von 100k oder etwas mehr als dem, der im Rückkopplungswiderstand verwendet wird.

Wir müssen auch die Bandbreite der Operationsverstärkerschaltung überprüfen, um einen zuverlässigen Betrieb mit hoher Verstärkung zu gewährleisten.

Summierverstärker oder Operationsverstärker-Addiererschaltung

Ein invertierender Operationsverstärker kann an verschiedenen Stellen verwendet werden, beispielsweise als Operationsverstärker-Summierverstärker. Eine wichtige Anwendung des invertierenden Operationsverstärkers ist der Summierverstärker oder der virtuelle Erdmischer.

In der obigen Abbildung ist ein virtueller Erdmischer oder Summierverstärker dargestellt, bei dem ein invertierter Operationsverstärker mehrere verschiedene Signale über seinen invertierenden Anschluss mischt. Ein invertierender Verstärkereingang liegt praktisch auf Erdpotential, was eine hervorragende mischerbezogene Anwendung bei Arbeiten im Zusammenhang mit Audiomischungen bietet.

Wie wir sehen können, werden verschiedene Signale über den negativen Anschluss unter Verwendung verschiedener Eingangswiderstände addiert. Die Anzahl der verschiedenen Signaleingänge, die hinzugefügt werden können, ist unbegrenzt. Die Verstärkung jedes unterschiedlichen Signalanschlusses wird durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstands R2 und des Eingangswiderstands des jeweiligen Kanals bestimmt.

Erfahren Sie auch mehr über Anwendungen des Operationsverstärkers, indem Sie verschiedenen auf Operationsverstärkern basierenden Schaltkreisen folgen. Diese invertierende Operationsverstärkerkonfiguration wird auch in verschiedenen Filtern wie aktivem Tiefpass oder aktivem Hochpassfilter verwendet.

Transimpedanzverstärkerschaltung

Eine andere Verwendung eines invertierenden Operationsverstärkerverstärkers ist die Verwendung des Verstärkers als Transimpedanzverstärker.

In einer solchen Schaltung wandelt der Operationsverstärker einen sehr niedrigen Eingangsstrom in die entsprechende Ausgangsspannung um. Ein Transimpedanzverstärker wandelt also Strom in Spannung um.

Es kann den Strom von Fotodioden, Beschleunigungsmessern oder anderen Sensoren umwandeln, die einen niedrigen Strom erzeugen, und unter Verwendung des Transimpedanzverstärkers kann der Strom in eine Spannung umgewandelt werden.

In dem obigen Bild wird ein invertierter Operationsverstärker verwendet, um einen Transimpedanzverstärker herzustellen, der den von der Fotodiode abgeleiteten Strom in eine Spannung umwandelt. Der Verstärker liefert eine niedrige Impedanz über die Fotodiode und erzeugt die Isolation von der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers.

In der obigen Schaltung wird nur ein Rückkopplungswiderstand verwendet. Der R1 ist der hochwertige Rückkopplungswiderstand. Wir können die Verstärkung ändern, indem wir den Wert dieses R1-Widerstands ändern. Die hohe Verstärkung des Operationsverstärkers verwendet einen stabilen Zustand, in dem der Fotodiodenstrom gleich dem Rückkopplungsstrom durch den Widerstand R1 ist.

Da wir keine externe Vorspannung über der Fotodiode bereitstellen, ist die Eingangsversatzspannung der Fotodiode sehr niedrig, was eine große Spannungsverstärkung ohne Ausgangsversatzspannung erzeugt. Der Strom der Fotodiode wird in die hohe Ausgangsspannung umgewandelt.

Andere Anwendungen des invertierenden Operationsverstärkers sind -

1. Phasenwechsler
2. Integrator
3. Im Signalausgleich verwandte Arbeiten
4. Linearer HF-Mischer
5. Verschiedene Sensoren verwenden einen invertierenden Operationsverstärker für den Ausgang.