Operasyonel amplifikatörler: tersine çevrilme vs ters olmayan topolojiler

Özünde operasyonel bir amplifikatör, sayısız elektronik sistemin ayrılmaz bir yüksek performanslı voltaj amplifikatörüdür.Bu cihaz indüktörleri, kapasitörleri ve dirençleri kullanan bir tasarım felsefesi üzerinde döner.Bu bileşenler, karmaşık bir geri bildirim mekanizması ile voltaj kazancını düzenleyen bir sofistike dansla iç içe geçer.Tipik olarak, bir op-amp üç temel terminale damıtılır: ters giriş, devir olmayan giriş ve çıktı.Bu terminallerin karmaşık dansı, amplifikatörün performansını ve uygulama kapsamını belirler.

Katalog

İdealize edilmiş bir senaryoda, bir op amp, her iki girişte sonsuz direnç gibi özelliklere sahip bir mükemmellik paragonudur - akımın terminallere geçişinin hiçbir kanıtı.Girişler arasında düzgün voltaj, sıfır çıkış direnci, sınırsız açık döngü kazancı, sonsuz bant genişliği ve ihmal edilebilir ofset sağlar.Bununla birlikte, operasyonel amplifikatörler alanına girmeden önce, olumsuz geri bildirimlerin doğasını anlamak çok gereklidir.Bu kavram sadece devre tasarımında bir sütun değildir;Yüksek performanslı, istikrarlı elektronik devreler için temel taşıdır.

Makalemiz, olumsuz geri bildirimlerin nüanslarını, tasarım hususlarını ve optimizasyonu yoluyla devre performansının artırılmasını çözmeyi amaçlamaktadır.Sırada iki önemli operasyonel amplifikatör topolojisinin titiz bir diseksiyonu vardır: ters ve ters olmayan amplifikatörler.İlkelerini, hesaplama yöntemlerini ve devre tasarımındaki önemli öğeleri inceliyoruz.Bu derin dalış, bu amplifikatör topolojilerinin gerçek dünya uygulamalarında hassas kontrol ve değişmez stabiliteyi nasıl kolaylaştırdığına dair panoramik bir görünüm sağlayacaktır.

Operasyonel amplifikatörleri (ters ve ters olmayan topolojileri) anlamadan önce, önemli bir kavramı, olumsuz geri bildirimi anlamamız gerekir.

Olumsuz geri bildirim sadece bir devre tasarım tekniği değil, aynı zamanda yüksek performanslı, yüksek stabiliteli elektronik devrelere ulaşmanın temel taşıdır.Negatif geri bildirimin temel kavramı, çıkış ve ters çevrilme girişi arasında bir direnç eklemek ve kapalı döngü kontrol sistemi oluşturmaktır.

OP AMP'leri olumsuz geri bildirim olmadan son derece yüksek açık döngü kazançları sağlayabilir, ancak bu tür yüksek kazanımlara genellikle kontrol zorlukları ve zayıf istikrar eşlik eder.

Çıkış ve ters giriş arasında bir geri bildirim direnci ekleyerek, amplifikatörün çıkış sinyalinin bir kısmı girişe "geri bildirim" dir.Bu yöntem, bazı kazançların bir kısmını etkili bir şekilde "yayar", böylece amplifikatörün genel kazancını kontrol eder.

Geri bildirim direnci seçimi: Geri besleme direncinin değeri doğrudan kapalı döngü kazancı etkiler.Uygun direnç değerini seçmek, istenen kazanç ve performansı elde etmenin anahtarıdır.

Kapalı döngü kazancı ve bant genişliği arasındaki ilişki: Kazanç ve bant genişliği arasındaki değiş tokuşun tasarım sırasında dikkate alınması gerekir.Kapalı döngü kazancının arttırılması genellikle bant genişliğinde bir azalmaya neden olur.

Kararlılık ve Bozulma: Uygun negatif geri bildirim, devrenin stabilitesini önemli ölçüde artırabilir ve sinyal bozulmasını azaltabilir.

Geri bildirim ağının doğru hesaplanması: Geri besleme dirençlerinin ve diğer ilgili devre bileşenlerinin parametrelerini doğru bir şekilde hesaplayarak, doğrusallık, gürültü seviyesi ve frekans yanıtı gibi amplifikatör performansı optimize edilebilir.

Yüksek kaliteli elektronik bileşenler kullanın: Yüksek hassasiyetli, düşük gürültülü dirençler ve diğer bileşenlerin seçilmesi devrenin genel performansını artırabilir.

Olumsuz geribildirim, açık döngü kazancının bir kısmını feda ederek daha fazla stabilite ve daha iyi kontrol sağlar.

Ayrıca, sıcaklık değişiklikleri ve güç kaynağı kararsızlığı gibi dış faktörlerin neden olduğu devre performansı dalgalanmalarını azaltmaya yardımcı olur.

Negatif geri bildirim, operasyonel amplifikatör tasarımında önemli bir teknolojidir.Elektronik devrelerin genel performansını ve güvenilirliğini artırmak için çok önemli olan ince kapalı döngü kontrolü yoluyla kazanç stabilitesi ve kontrol edilebilirlik elde eder.Elektronik devre tasarımcıları, negatif geri bildirimin çalışma ilkeleri ve uygulamaları hakkında daha derin bir anlayış kazanarak daha doğru ve kararlı devre sistemleri tasarlayabilir.

Ters amplifikatör topolojisinde, devrenin çekirdeği, ters girişi RF dirençinden çıkıştan negatif geri besleme sinyalini alan operasyonel amplifikatördür.Bu topolojinin özelliği, çıkış voltajı arttığında, ters giriş terminalindeki voltajın azalması, böylece çıkış voltajındaki artışı azaltması ve negatif geri bildirim oluşturmasıdır.

İdeal bir dünyada, op-amp'in giriş terminalleri arasında voltaj farkı olmadığını varsayıyoruz, yani ters ve ters olmayan terminaller aynı voltajda olacaktır.Bu duruma "sanal kısa devre" denir.

Ürkütülmeyen giriş terminali doğrudan yere bağlandığından (voltaj 0V'dir), ters giriş terminali de sanal kısa devre durumunu karşılamak için 0V'de tutulmalıdır.

Bunlar arasında, (0 - VIN)/R1, giriş terminalinden ters terminale akımı temsil eder ve (0 - Vout)/RF, çıkış terminalinden ters terminale akımı temsil eder.

Bu, kazancın büyüklüğünün RF ve R1 oranı ile belirlendiğini ve negatif işaret nedeniyle, çıkış sinyalinin giriş sinyali ile faz dışı (faz dışı) olduğunu gösterir.

Giriş empedansı büyük ölçüde ters amplifikatördeki giriş direnci R1 tarafından tanımlanır.Bu, etkili empedans eşleştirmesi için giriş sinyali kaynağının çıkış empedansının dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir.

Frekans yanıtı, hayati bir yön, OP AMP'nin doğal bant genişliği kısıtlamaları nedeniyle sınırlamalarla karşılaşır.Bu, kazanç ve bant genişliği arasında, eldeki belirli uygulamaya uyacak şekilde titizlikle optimize edilmesi gereken nüanslı bir dengeleme eylemine yol açar.

Gürültü ve stabilite, devre performansını önemli ölçüde etkiler.Dirençler ve OP AMP'ler tarafından şekillendirilen devrenin gürültü profili bir endişe kaynağı olabilir.Ancak, bu aşılmaz bir zorluk değil.Düşük gürültü bileşenleri seçerek ve düşünceli bir devre düzeni kullanarak, bu sorunlar önemli ölçüde hafifletilebilir.

Yerli olmayan amplifikatör topolojisi için, temel prensip, giriş sinyalini operasyonel amplifikatörün ters olmayan girişine bağlamak ve aynı zamanda bir geri bildirim direnci (RF), tersine olmayan terminaline formda bağlamak için kullanmaktır.kapalı döngü kontrolü.İdeal bir durumda, operasyonel amplifikatörün ters olmayan giriş terminalindeki voltajların ve ters giriş terminalinin (ters giriş) eşit olduğu, yani sinyal olmayan durumda sıfır voltaj olduğu varsayılmaktadır.Bu durumda, ters olmayan girişteki voltaj, giriş sinyali voltajına (VIN) eşittir, çünkü doğrudan giriş sinyaline bağlanır.

Kirchhoff'un mevcut yasasını (KCL) ters terminale uygulayarak düğüm denklemi kurulabilir.Bu denklem, sıfır olması gereken ters terminale akan akımların toplamını dikkate alır (bu da op-amp'ın son derece küçük giriş akımı göz önünde bulundurulabilir).

Burada, (vin - vout)/rf, geri bildirim direnci üzerinden ters terminale akan akımdır ve (vin - 0)/R1, giriş direnciden ters terminale akan akımdır.

Bu formül, ters olmayan bir amplifikatörün kazancının, geri besleme dirençinin giriş dirençine oranı ile belirlendiğini ve kazancın en az 1 (yani RF = 0 olduğunda) olduğunu gösterir.

Empedans Eşleştirme: Devrenin stabilitesini iyileştirmek ve sinyal bozulmasını azaltmak için, giriş sinyali kaynağının çıkış empedansının ve amplifikatörün giriş empedansının eşleştirilmesi dikkate alınmalıdır.

Frekans Yanıtı: OP-AMP'nin bant genişliği sınırlamaları nedeniyle, ters olmayan bir amplifikatörün frekans yanıtı, kazanç arttıkça azalabilir.Tasarım, uygulama gereksinimlerini karşılamak için uygun OP AMP modelini seçmeyi ve devre parametrelerini ayarlamayı düşünmelidir.

Gürültü ve stabilite: Direnç gürültüsü ve op-amp dahili gürültüsü, ters olmayan amplifikatör performansını etkiler.Tasarım sırasında düşük gürültülü dirençler ve OP AMP'ler seçilmeli ve devrenin genel stabilitesini ve gürültü reddini artırmak için uygun yönlendirme ve topraklama stratejileri kullanılmalıdır.

Negatif geri bildirim, ters amplifikatör ve ters olmayan amplifikatör topolojilerinin nüanslarına derinlemesine girerek, modern elektronik devre tasarımı alanındaki önemli rollerinin daha zengin bir takdirini elde ediyoruz.Öncelikle dikkatimizi olumsuz geri bildirimin faydalarına çevirelim.Bu bir oyun değiştiricidir: olumsuz geri bildirimler, kazanç azaltarak devrelerde hem istikrarı hem de doğruluğu destekler.Örneğin, operasyonel bir amplifikatörü düşünün.Burada, negatif geri bildirim güçlü bir araçtır, çıkış empedansını önemli ölçüde azaltırken, giriş empedansını aynı anda artırır.Bu çift eylem devrenin yanıt özelliklerini ince ayarlar.Bu geliştirme iki yönlüdür: sadece devre performansını yükseltmekle kalmaz, aynı zamanda sıcaklık dalgalanmalarının ve cihaz yaşlanmasının devrenin verimliliği üzerindeki etkilerini de önemli ölçüde azaltır.

Şimdi, ters ve ters olmayan amplifikatör topolojilerinin inceliklerinde gezinelim.Giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki 180 derecelik faz inversiyonları ile bilinen ters amplifikatörler, ses sistemleri ve sinyal işleme için ayrılmazdır.Örnek olarak ses amplifikatörlerini alın;Ters amplifikatörler, bozulmamış, bozulmamış bir çıkış sinyalinin verilmesinde etkilidir, böylece ses kalitesini yükseltir.Öte yandan, ters olmayan amplifikatörler, faz uyumlu girdileri ve çıktıları sayesinde veri toplama ve sensör arayüzlerinde önemli bir rol oynar.Sinyal yollarını kesen ve azalan gürültü parazitinde mükemmeldir, bu da sistemin sinyal-gürültü oranını yükseltir.

Özünde, elektronik devre tasarımının bu temel bilgisi sadece devre ilkeleri hakkındaki anlayışımızı derinleştirmez;Verimli, düşük gürültülü ve uyarlanabilir elektronik sistemler oluşturmak için sağlam bir platform oluşturur.Bu kavramları kapsamlı bir şekilde kavramak, elektronik tasarımcıları inovasyon için geniş bir tuvalle donatır ve elektronik teknolojide devam eden ilerlemeleri teşvik eder.