تقویت کننده های عملیاتی: وارونه در مقابل توپولوژی های غیر معکوس

یک تقویت کننده عملیاتی ، در هسته آن ، یک تقویت کننده ولتاژ با کارایی بالا است ، انتگرال به تعداد بیشماری از سیستم های الکترونیکی.این دستگاه بر روی یک فلسفه طراحی قرار می گیرد که از سلف ، خازن و مقاومت استفاده می کند.این مؤلفه ها از طریق یک مکانیسم بازخورد پیچیده ، در رقص از ولتاژ پیشرفته و ولتاژ ارکستر در هم تنیده می شوند.به طور معمول ، OP-AMP به سه پایانه اساسی تقطیر می شود: ورودی معکوس ، ورودی غیرقانونی و خروجی.رقص پیچیده این پایانه ها عملکرد و دامنه کاربرد تقویت کننده را نشان می دهد.

کاتالوگ

در یک سناریوی ایده آل ، یک آمپر OP یک پاراگراف از کمال است که دارای ویژگی هایی مانند مقاومت بی نهایت در هر دو ورودی است - شهادت به عبور از جریان به پایانه ها.این ولتاژ یکنواخت در ورودی ها ، مقاومت به خروجی صفر ، افزایش حلقه باز بی حد و حصر ، پهنای باند بی نهایت و جبران ناچیز را تضمین می کند.با این حال ، قبل از اینکه به قلمرو تقویت کننده های عملیاتی بپردازیم ، درک ماهیت بازخورد منفی بسیار ضروری است.این مفهوم صرفاً ستون در طراحی مدار نیست.این سنگ بنای مدارهای الکترونیکی با کارایی بالا و پایدار است.

مقاله ما با هدف آشکار کردن تفاوت های ظریف بازخورد منفی ، ملاحظات طراحی آن و تقویت عملکرد مدار از طریق بهینه سازی آن است.در مرحله بعدی ، یک برش دقیق از دو توپولوژی تقویت کننده عملیاتی محوری است: تقویت کننده های وارونه و غیر معکوس.ما به اصول آنها ، روش های محاسبه و عناصر مهم در طراحی مدار می پردازیم.این شیرجه عمیق به ما یک نمای پانوراما در مورد چگونگی تسهیل این توپولوژی های تقویت کننده کنترل دقیق و ثبات بی بدیل در برنامه های دنیای واقعی را می دهد.

قبل از درک تقویت کننده های عملیاتی (توپولوژی های وارونه و غیر معکوس) ، باید یک مفهوم کلیدی ، بازخورد منفی را درک کنیم.

بازخورد منفی نه تنها یک تکنیک طراحی مدار ، بلکه سنگ بنای دستیابی به مدارهای الکترونیکی با کارایی بالا و با استحکام بالا است.مفهوم اصلی بازخورد منفی اضافه کردن یک مقاومت بین خروجی و ورودی معکوس ، ایجاد یک سیستم کنترل حلقه بسته است.

آمپرهای OP می توانند بدون بازخورد منفی ، سودهای بسیار بالایی را فراهم کنند ، اما چنین دستاوردهای بالایی اغلب با مشکلات کنترل و ثبات ضعیف همراه است.

با معرفی یک مقاومت بازخورد بین خروجی و ورودی معکوس ، بخشی از سیگنال خروجی تقویت کننده "بازخورد" به ورودی است.این روش به طور موثری برخی از سود را "گسترش می دهد" ، در نتیجه افزایش کلی تقویت کننده را کنترل می کند.

انتخاب مقاومت بازخورد: مقدار مقاومت بازخورد مستقیماً بر افزایش حلقه بسته تأثیر می گذارد.انتخاب مقدار مقاومت مناسب برای دستیابی به سود و عملکرد مورد نظر مهم است.

رابطه بین افزایش حلقه بسته و پهنای باند: تجارت بین سود و پهنای باند باید در طول طراحی در نظر گرفته شود.افزایش افزایش حلقه بسته معمولاً منجر به کاهش پهنای باند می شود.

ثبات و اعوجاج: بازخورد منفی مناسب می تواند به طور قابل توجهی پایداری مدار را بهبود بخشد و اعوجاج سیگنال را کاهش دهد.

محاسبه دقیق شبکه بازخورد: با محاسبه دقیق پارامترهای مقاومتهای بازخورد و سایر مؤلفه های مدار مرتبط ، عملکرد تقویت کننده مانند خطی ، سطح نویز و پاسخ فرکانس می تواند بهینه شود.

از اجزای الکترونیکی با کیفیت بالا استفاده کنید: انتخاب مقاومتهای با دقت بالا و کم نویز و سایر مؤلفه ها می توانند عملکرد کلی مدار را بهبود بخشند.

بازخورد منفی با قربانی کردن برخی از افزایش حلقه باز امکان ثبات و کنترل بهتر را فراهم می کند.

همچنین به کاهش نوسانات عملکرد مدار ناشی از عوامل خارجی مانند تغییر دما و بی ثباتی منبع تغذیه کمک می کند.

بازخورد منفی یک فناوری کلیدی در طراحی تقویت کننده عملیاتی است.این امر از طریق کنترل حلقه بسته بسته ، به ثبات و کنترل می رسد ، که برای بهبود عملکرد کلی و قابلیت اطمینان مدارهای الکترونیکی بسیار مهم است.طراحان مدار الکترونیکی با به دست آوردن درک عمیق تر از اصول کار و کاربردهای بازخورد منفی ، می توانند سیستم های مدار دقیق تر و پایدار را طراحی کنند.

در توپولوژی تقویت کننده وارونگ ، هسته مدار تقویت کننده عملیاتی است که ورودی معکوس آن سیگنال بازخورد منفی را از خروجی از طریق مقاومت RF دریافت می کند.ویژگی این توپولوژی این است که با افزایش ولتاژ خروجی ، ولتاژ در ترمینال ورودی معکوس کاهش می یابد ، در نتیجه افزایش ولتاژ خروجی و ایجاد بازخورد منفی را کاهش می دهد.

در دنیای ایده آل ، فرض می کنیم که هیچ تفاوت ولتاژ بین پایانه های ورودی OP-AMP وجود ندارد ، یعنی پایانه های وارونه و غیر معکوس در همان ولتاژ قرار خواهند گرفت.این حالت "مدار کوتاه مجازی" نامیده می شود.

از آنجا که ترمینال ورودی غیر معکوس به طور مستقیم به زمین متصل است (ولتاژ 0 ولت است) ، ترمینال ورودی معکوس نیز باید در 0 ولت نگه داشته شود تا شرایط مدار کوتاه مجازی را برآورده سازد.

در میان آنها ، (0 - VIN)/R1 جریان را از ترمینال ورودی به ترمینال معکوس نشان می دهد ، و (0 - VOUT)/RF جریان را از ترمینال خروجی به ترمینال وارونگی نشان می دهد.

این نشان می دهد که میزان افزایش با نسبت RF و R1 تعیین می شود و به دلیل علامت منفی ، سیگنال خروجی خارج از فاز (180 درجه از فاز) با سیگنال ورودی است.

امپدانس ورودی تا حد زیادی توسط مقاومت ورودی R1 در تقویت کننده معکوس تعریف شده است.این امر نیاز به بررسی دقیق امپدانس خروجی منبع سیگنال ورودی برای تطبیق امپدانس مؤثر دارد.

پاسخ فرکانس ، یک جنبه حیاتی ، به دلیل محدودیت پهنای باند ذاتی OP AMP ، محدودیت هایی را برطرف می کند.این منجر به یک عمل متعادل کننده ظریف بین افزایش و پهنای باند می شود ، که باید با توجه به برنامه خاص مورد نظر ، به طور دقیق بهینه شود.

نویز و پایداری ، به طور قابل توجهی بر عملکرد مدار تأثیر می گذارد.مشخصات سر و صدای مدار ، که توسط مقاومت ها و آمپرهای OP شکل گرفته است ، می تواند منبع نگرانی باشد.با این حال ، این یک چالش غیر قابل عبور نیست.با انتخاب مؤلفه های کم نویز و استفاده از یک طرح مدار متفکر ، این مسائل قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.

برای توپولوژی تقویت کننده غیر معکوس ، اصل اساسی اتصال سیگنال ورودی به ورودی غیر معکوس آمپلی فایر عملیاتی است و در عین حال از یک مقاومت بازخورد (RF) برای اتصال به ترمینال غیر معکوس استفاده کنید تا شکل بگیردیک کنترل حلقه بستهدر یک حالت ایده آل ، فرض بر این است که ولتاژهای موجود در ترمینال ورودی غیر معکوس و ترمینال ورودی معکوس (ورودی معکوس) تقویت کننده عملیاتی برابر است ، یعنی آنها در حالت بدون سیگنال ولتاژ صفر هستند.در این حالت ، ولتاژ موجود در ورودی غیر معکوس برابر با ولتاژ سیگنال ورودی (VIN) است زیرا مستقیماً به سیگنال ورودی وصل می شود.

با استفاده از قانون فعلی Kirchhoff (KCL) در ترمینال معکوس ، می توان معادله گره را ایجاد کرد.این معادله مجموع جریان های جریان یافته در ترمینال معکوس را در نظر می گیرد ، که باید صفر باشد (که با توجه به جریان ورودی بسیار کوچک OP-AMP می توان نادیده گرفت).

در اینجا ، (VIN - VOUT)/RF جریان است که از طریق مقاومت بازخورد به ترمینال معکوس جریان می یابد ، و (VIN - 0)/R1 جریان جریان از طریق مقاومت ورودی به ترمینال معکوس است.

این فرمول نشان می دهد که افزایش یک تقویت کننده غیر وارونه با نسبت مقاومت بازخورد به مقاومت ورودی تعیین می شود و این افزایش حداقل 1 است (یعنی وقتی RF = 0).

تطبیق امپدانس: به منظور بهبود پایداری مدار و کاهش اعوجاج سیگنال ، تطبیق امپدانس خروجی منبع سیگنال ورودی و امپدانس ورودی تقویت کننده باید در نظر گرفته شود.

پاسخ فرکانس: با توجه به محدودیت پهنای باند OP-AMP ، پاسخ فرکانس یک تقویت کننده غیر معکوس ممکن است با افزایش افزایش کاهش یابد.طراحی باید انتخاب مدل مناسب AMP و تنظیم پارامترهای مدار را برای پاسخگویی به نیازهای برنامه در نظر بگیرد.

سر و صدا و پایداری: نویز مقاومت و سر و صدای داخلی OP-AMP هر دو بر عملکرد تقویت کننده غیر معکوس تأثیر می گذارد.مقاومت های کم نویز و آمپرهای OP باید در طول طراحی انتخاب شوند و برای بهبود ثبات کلی و رد نویز مدار باید از استراتژی های مسیریابی و زمینی مناسب استفاده شود.

با تفکیک عمیق در تفاوت های بازخورد منفی ، تقویت کننده وارونه و توپولوژی های تقویت کننده غیر معکوس ، ما از نقش محوری آنها در قلمرو طراحی مدار الکترونیکی مدرن قدردانی می کنیم.بیایید ابتدا توجه خود را به مزایای بازخورد منفی تغییر دهیم.این یک تغییر دهنده بازی است: بازخورد منفی اساساً با کاهش سود ، ثبات و دقت در مدارها را تقویت می کند.به عنوان مثال ، یک تقویت کننده عملیاتی را در نظر بگیرید.در اینجا ، بازخورد منفی ابزاری قدرتمند است و به طور چشمگیری امپدانس خروجی را کاهش می دهد و در عین حال همزمان امپدانس ورودی را تقویت می کند.این عمل دوگانه ویژگی های پاسخ مدار را به خوبی تنظیم می کند.این پیشرفت دو برابر است: نه تنها عملکرد مدار را بالا می برد بلکه به طرز چشمگیری اثرات نوسانات دما و پیری دستگاه را بر کارآیی مدار کاهش می دهد.

حال ، بیایید از پیچیدگی های توپولوژی های تقویت کننده وارونه و غیر معکوس حرکت کنیم.تقویت کننده های وارونه ، که به دلیل وارونگی فاز 180 درجه خود بین سیگنال های ورودی و خروجی شناخته می شوند ، برای سیستم های صوتی و پردازش سیگنال یکپارچه هستند.به عنوان نمونه تقویت کننده های صوتی را بگیرید.آمپلی فایرهای وارونه در ارائه سیگنال خروجی بکر و بدون اعوجاج مؤثر هستند و در نتیجه کیفیت صوتی را بالا می برند.از طرف دیگر ، آمپلی فایرهای غیر معکوس به لطف ورودی و خروجی فاز آنها ، نقش مهمی در کسب داده ها و رابط های سنسور دارند.آنها در کوتاه کردن مسیرهای سیگنال و محدود کردن تداخل نویز ، که به نوبه خود ، نسبت سیگنال به نویز سیستم را تقویت می کنند ، برتری دارند.

در اصل ، این دانش بنیادی در مورد طراحی مدار الکترونیکی صرفاً درک ما از اصول مدار را عمیق نمی کند.این یک بستر قوی برای ایجاد سیستم های الکترونیکی کارآمد ، کم نویز و سازگار ایجاد می کند.درک کاملی از این مفاهیم ، طراحان الکترونیکی را به بوم وسیع برای نوآوری مجهز می کند و پیشرفت های مداوم در فناوری الکترونیکی را تحریک می کند.