Operatiiviset vahvistimet: kääntäminen vs. ei-invertointitopologiat

Operatiivinen vahvistin on sen ytimessä korkean suorituskyvyn jännitevahvistin, joka on olennainen osa lukemattomia elektronisia järjestelmiä.Tämä laite kääntyy suunnittelufilosofiaan, joka hyödyntää induktoreita, kondensaattoreita ja vastuksia.Nämä komponentit kietoutuvat hienostuneisuuden tanssiin, orkesterointijännitteen vahvistamiseen monimutkaisen palautemekanismin kautta.Tyypillisesti OP-AMP: tä tislataan kolmeen perustavanlaatuiseen päätelaitteeseen: kääntyvä tulo, ei-tuntuva tulo ja lähtö.Näiden terminaalien monimutkainen tanssi sanelee vahvistimen suorituskyvyn ja sovellusalueen.

Luettelo

Idealisoidussa skenaariossa OP -vahvistin on täydellisyyden paragon, joka ylpeilee ominaisuuksista, kuten ääretön vastus molemmissa tuloissa - todistus siitä, että se ei ole virran kulkua päätelaitteisiin.Se varmistaa tasaisen jännitteen tulojen välillä, nolla lähtövastus, rajaton avoimen silmukan vahvistus, ääretön kaistanleveys ja vähäinen siirtymä.Ennen kuin syventämme operatiivisten vahvistimien valtakuntaa, on erittäin välttämätöntä ymmärtää negatiivisen palautteen luonne.Tämä konsepti ei ole pelkästään piirisuunnittelun pylväs;Se on korkean suorituskyvyn, vakaan elektronisen piirin kulmakivi.

Artikkelimme tavoitteena on selvittää negatiivisen palautteen vivahteet, sen suunnittelun näkökohdat ja piirin suorituskyvyn parantaminen sen optimoinnin avulla.Seuraavaksi linjassa on kahden keskeisen operatiivisen vahvistimen topologian huolellinen leikkaus: kääntämättömät ja ei-invertoineet.Tutkimme niiden periaatteita, laskentamenetelmiä ja piirisuunnitelman keskeisiä elementtejä.Tämä syvä sukellus antaa meille panoraamanäkymän siitä, kuinka nämä vahvistimen topologiat helpottavat tarkkuuden hallintaa ja horjumatonta vakautta reaalimaailman sovelluksissa.

Ennen operatiivisten vahvistimien (kääntäviä ja kääntäviä topologiat) ymmärtämistä, meidän on ymmärrettävä avainkonsepti, negatiivinen palaute.

Negatiivinen palaute ei ole vain piirisuunnittelutekniikka, vaan myös kulmakivi korkean suorituskyvyn, korkean aseman elektronisten piirien saavuttamiseksi.Negatiivisen palautteen peruskonsepti on lisätä vastus ulostulon ja käänteisen tulon väliin, luomalla suljetun silmukan ohjausjärjestelmän.

OP-vahvistimet voivat tarjota erittäin korkeat avoimen silmukan voitot ilman negatiivista palautetta, mutta tällaisiin korkeisiin hyötyihin liittyy usein valvontavaikeuksia ja heikko vakaus.

Esittelemällä palautevastus lähtö- ja kääntötulojen välillä, osa vahvistimen lähtösignaalista on "palaute" takaisin tuloon.Tämä menetelmä "leviää tehokkaasti" osa vahvistusta, hallitsee siten vahvistimen yleistä vahvistusta.

Palautevastuksen valinta: Palautevastuksen arvo vaikuttaa suoraan suljetun silmukan vahvistukseen.Asianmukaisen vastuksen arvon valitseminen on avain halutun voiton ja suorituskyvyn saavuttamiseen.

Suhde suljetun silmukan voiton ja kaistanleveyden välillä: Voiton ja kaistanleveyden välinen kompromissi on otettava huomioon suunnittelun aikana.Suljetun silmukan vahvistuksen lisääminen johtaa yleensä kaistanleveyden vähentymiseen.

Vakaus ja vääristymä: Asianmukainen negatiivinen palaute voi parantaa merkittävästi piirin stabiilisuutta ja vähentää signaalin vääristymiä.

Palauteverkon tarkka laskenta: Laskemalla tarkasti takaisinkytkentävastusten ja muiden siihen liittyvien piirikomponenttien parametrit, vahvistimen suorituskyky, kuten lineaarisuus, melutaso ja taajuusvaste, voidaan optimoida.

Käytä korkealaatuisia elektronisia komponentteja: Korkean tarkkuuden, matalan kohinanvastuksen ja muiden komponenttien valitseminen voi parantaa piirin yleistä suorituskykyä.

Negatiivinen palaute mahdollistaa suuremman vakauden ja paremman hallinnan uhraamalla osan avoimen silmukan voitosta.

Se auttaa myös vähentämään ulkoisten tekijöiden, kuten lämpötilan muutoksen ja virtalähteen epävakauden aiheuttamia piirien suorituskyvyn vaihtelua.

Negatiivinen palaute on keskeinen tekniikka operatiivisessa vahvistimen suunnittelussa.Se saavuttaa vahvistuksen stabiilisuuden ja hallittavuuden hienon suljetun silmukan ohjauksen avulla, mikä on ratkaisevan tärkeä elektronisten piirien yleisen suorituskyvyn ja luotettavuuden parantamiseksi.Saatuaan syvemmän käsityksen negatiivisen palautteen työperiaatteista ja sovelluksista, elektroniset piirisuunnittelijat voivat suunnitella tarkempia ja vakaampia piirijärjestelmiä.

Käänteisessä vahvistimen topologiassa piirin ydin on toiminnallinen vahvistin, jonka käänteinen tulo vastaanottaa negatiivisen palautesignaalin lähtöstä vastuksen RF: n kautta.Tämän topologian ominaisuus on, että kun lähtöjännite kasvaa, kääntyvän tulonpäätteen jännite pienenee, mikä vähentää lähtöjännitteen kasvua ja muodostaa negatiivisen palautteen.

Ihanteellisessa maailmassa oletamme, että OP-AMP: n syöttöliittimien välillä ei ole jänniteeroa, toisin sanoen kääntäviä ja ei-invertointterminaaleja ovat samalla jännitteellä.Tätä tilaa kutsutaan "virtuaaliseksi oikosulkuksi".

Koska ei-invertoimaton tulonliittymä on kytketty suoraan maahan (jännite on 0 V), käänteistä tulonpistoolia on myös pidettävä 0 V: ssä virtuaalisen oikosulun ehdon täyttämiseksi.

Niiden joukossa (0 - VIN)/R1 edustaa virtaa syöttöliittimestä kääntöpäätteeseen ja (0 - vout)/RF edustaa virtaa lähtöpäätteestä käänteiseen päätteeseen.

Tämä osoittaa, että vahvistuksen suuruus määritetään RF: n ja R1: n suhteella ja negatiivisesta merkistä johtuen lähtösignaali on vaiheen ulkopuolella (180 astetta vaiheen ulkopuolella) tulosignaalin kanssa.

Tuloimpedanssi määritellään suurelta osin tulonvastuksen R1 avulla kääntyvässä vahvistimessa.Tämä vaatii tulosignaalin lähteen lähtöimpedanssin huolellista harkintaa tehokkaan impedanssin sovittamiseksi.

Taajuusvaste, elintärkeä näkökohta, kohtaa rajoitukset OP AMP: n luontaisesta kaistanleveysrajoituksista.Tämä johtaa vivahteikkaaseen tasapainottavaan tekoon voiton ja kaistanleveyden välillä, joka on optimoitava huolellisesti käsillä olevan sovelluksen mukaiseksi.

Melu ja stabiilisuus vaikuttavat merkittävästi piirin suorituskykyyn.Piirin kohinaprofiili, jonka vastus ja OP -vahvistimet ovat muotoiltu, voi olla huolenaihe.Tämä ei kuitenkaan ole ylitsepääsemätön haaste.Valitsemalla matalan kohinan komponentit ja käyttämällä huomaavaista piirisuunnitelmaa, nämä ongelmat voidaan lieventää huomattavasti.

Muiden kuin kääntämättömän vahvistimen topologian perusperiaate on yhdistää tulosignaali operatiivisen vahvistimen ei-invertter-tuloon ja käyttää samanaikaisesti palautevastuksen (RF) yhteyden muodostamiseen muihin kuin invertointterminaaliinsuljetun silmukan ohjaus.Ihanteellisessa tilassa oletetaan, että operatiivisen vahvistimen kääntämattoman syöttöliittimen jännitteet (invertoattoman tulon päätelaitteen (kääntämistulo) ovat yhtä suuret, toisin sanoen ne ovat nollajännitettä signaalisessa tilassa.Tässä tapauksessa jännite, joka ei ole kääntämätön tulo, on yhtä suuri kuin tulosignaalin jännite (VIN), koska se on kytketty suoraan tulosignaaliin.

Soveltamalla Kirchhoffin nykyistä lakia (KCL) käänteiseen terminaaliin, solmuyhtälö voidaan määrittää.Tässä yhtälössä otetaan huomioon käänteispäätteeseen virtaavien virtausten summa, jonka on oltava nolla (jotka voidaan sivuuttaa ottaen huomioon OP-AMP: n erittäin pieni syöttövirta).

Tässä (Vin - vout)/RF on virtausvastuksen läpi virtaava virta kääntöpäätteelle ja (VIN - 0)/R1 on virtausvastuksen läpi virtaava virta kääntöpäätteeseen.

Tämä kaava osoittaa, että muuttamattoman vahvistimen vahvistus määritetään palautevastuksen suhde tulovastukseen ja että vahvistus on vähintään 1 (ts. Kun RF = 0).

Impedanssin sovittaminen: Piirin stabiilisuuden parantamiseksi ja signaalin vääristymien vähentämiseksi tulosignaalin lähteen lähtöimpedanssin sovittamista ja vahvistimen tulonimpedanssia tulisi harkita.

Taajuusvaste: OP-AMP: n kaistanleveyden rajoitusten vuoksi ei-kääntyvän vahvistimen taajuusvaste voi vähentyä vahvistuksen kasvaessa.Suunnittelun tulisi harkita asianmukaisen OP AMP -mallin valitsemista ja piiriparametrien säätämistä sovellusvaatimusten täyttämiseksi.

Melu ja stabiilisuus: Vastuksen kohina ja OP-AMP: n sisäinen kohina vaikuttavat molempiin muihin kuin invertointiin vahvistimen suorituskykyyn.Suunnittelun aikana tulisi valita matala-kohinata ja OP-vahvistimia, ja piirin yleisen stabiilisuuden ja melun hylkäämisen parantamiseksi tulisi käyttää asianmukaisia ​​reititys- ja maadoitusstrategioita.

Selvittämällä syvästi negatiivisen palautteen, käänteisen vahvistimen ja kääntämättömien vahvistimen topologioiden vivahteita, saamme rikkaamman arvion niiden keskeisestä roolista nykyaikaisen elektronisen piirisuunnittelun valtakunnassa.Käännämme ensin huomiomme negatiivisen palautteen etuihin.Se on pelinvaihto: Negatiivinen palaute tukee pohjimmiltaan sekä piireissä vakautta että tarkkuutta vähentämällä voittoa.Harkitse esimerkiksi operatiivista vahvistinta.Tässä negatiivinen palaute on voimakas työkalu, joka vähentää dramaattisesti lähtöimpedanssia samalla lisäämällä tuloimpedanssia.Tämä kaksoistoiminto hienosäätää piirin vastausominaisuuksia.Tämä parannus on kaksinkertainen: se ei vain nosta piirin suorituskykyä, vaan myös lieventää huomattavasti lämpötilan vaihtelun ja laitteen ikääntymisen vaikutuksia piirin tehokkuuteen.

Siirrytään nyt käänteisten ja invertoattomien vahvistimen topologioiden monimutkaisuuksiin.Kääntävät vahvistimet, jotka tunnetaan 180 asteen vaiheen inversiosta syöttö- ja lähtösignaalien välillä, ovat olennaisia ​​äänijärjestelmiin ja signaalinkäsittelyyn.Otetaan esimerkiksi äänivahvistimet;Kääntävät vahvistimet ovat tärkeitä toimittamaan koskemattomia, vääristymättömiä lähtösignaalia, mikä nostaa äänenlaatua.Toisaalta muilla kuin invertoisilla vahvistimilla on ratkaiseva rooli tiedonkeruu- ja anturirajapinnoissa niiden vaiheittaisen tulon ja ulostulon ansiosta.Ne ovat huippuosaamisia katkaisevissa signaalireitteissä ja rajoittavat kohinan häiriöt, jotka puolestaan ​​vahvistaa järjestelmän signaali-kohinasuhdetta.

Pohjimmiltaan tämä elektronisen piirisuunnittelun perustiedot eivät vain syventä ymmärrystämme piirin periaatteista;Se perustaa vankan alustan tehokkaan, matalan kohinan ja mukautuvien elektronisten järjestelmien luomiseksi.Näistä konsepteista perusteellinen käsitys varustaa elektroniset suunnittelijat laajalla kankaalla innovaatioille, ja sen jatkuvat edistykset elektronisessa tekniikassa.