Amplificatore operazionale invertente

Op-Amp (amplificatore operazionale) è la spina dorsale dell'elettronica analogica. Un amplificatore operazionale è un componente elettronico accoppiato in CC che amplifica la tensione da un ingresso differenziale utilizzando il feedback del resistore. Gli amplificatori operazionali sono famosi per la loro versatilità in quanto possono essere configurati in molti modi e possono essere utilizzati in diversi aspetti. Un circuito amplificatore operazionale è costituito da poche variabili come larghezza di banda, impedenza di ingresso e uscita, margine di guadagno, ecc. Diverse classi di amplificatori operazionali hanno specifiche diverse a seconda di tali variabili. Ci sono molti amplificatori operazionali disponibili in diversi pacchetti di circuiti integrati (IC), alcuni amplificatori operazionali hanno due o più amplificatori operazionali in un unico pacchetto. LM358, LM741, LM386 sono alcuni circuiti integrati operazionali comunemente usati. Puoi saperne di più sugli amplificatori operazionali seguendo la nostra sezione circuiti amplificatori operazionali.

Un amplificatore operazionale ha due pin di ingresso differenziali e un pin di uscita insieme ai pin di alimentazione. Questi due pin di ingresso differenziale sono pin invertente o negativo e pin non invertente o positivo. Un amplificatore operazionale amplifica la differenza di tensione tra questi due pin di ingresso e fornisce l'uscita amplificata attraverso il suo Vout o pin di uscita.

A seconda del tipo di ingresso, l'amplificatore operazionale può essere classificato come amplificatore invertente o amplificatore non invertente. Nel precedente tutorial sull'amplificatore operazionale non invertente, abbiamo visto come utilizzare l'amplificatore in una configurazione non invertente. In questo tutorial, impareremo come utilizzare l'amplificatore operazionale nella configurazione invertente.

Configurazione invertente dell'amplificatore operazionale

Si chiama amplificatore invertente perché l'amplificatore operazionale cambia l'angolo di fase del segnale di uscita esattamente di 180 gradi fuori fase rispetto al segnale di ingresso. Come prima, usiamo due resistori esterni per creare un circuito di feedback e realizzare un circuito a circuito chiuso attraverso l'amplificatore.

Nella configurazione non invertente, abbiamo fornito un feedback positivo sull'amplificatore, ma per la configurazione invertente produciamo feedback negativo attraverso il circuito dell'amplificatore operazionale.

Vediamo lo schema di collegamento per invertire la configurazione dell'amplificatore operazionale

Nell'amplificatore operazionale invertito sopra, possiamo vedere R1 e R2 stanno fornendo il feedback necessario attraverso il circuito dell'amplificatore operazionale. Il resistore R2 è il resistore di ingresso del segnale e il resistore R1 è il resistore di feedback. Questo circuito di feedback forza la tensione di ingresso differenziale quasi a zero.

Il feedback è collegato attraverso il terminale negativo dell'amplificatore operazionale e il terminale positivo è collegato attraverso la terra. Il potenziale di tensione sull'ingresso invertente è uguale al potenziale di tensione dell'ingresso non invertente. Quindi, attraverso l'ingresso non invertente, viene creato un punto di somma della Terra virtuale, che è nello stesso potenziale del suolo o della Terra. L'amplificatore operazionale fungerà da amplificatore differenziale.

Quindi, in caso di amplificatore operazionale invertito, non ci sono flussi di corrente nel terminale di ingresso, anche la tensione di ingresso è uguale alla tensione di feedback tra due resistori in quanto entrambi sono una sorgente di massa virtuale comune. A causa della massa virtuale, la resistenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è uguale alla resistenza di ingresso dell'amplificatore operazionale che è R2. Questo R2 ha una relazione con il guadagno ad anello chiuso e il guadagno può essere impostato dal rapporto dei resistori esterni usati come feedback.

Poiché non vi è flusso di corrente nel terminale di ingresso e la tensione di ingresso differenziale è zero, possiamo calcolare il guadagno ad anello chiuso dell'amplificatore operazionale. Scopri di più sulla costituzione dell'amplificatore operazionale e sul suo funzionamento seguendo il link.

Guadagno dell'amplificatore operazionale invertente

Nell'immagine sopra, sono mostrati due resistori R2 e R1, che sono i resistori di feedback del divisore di tensione utilizzati insieme all'amplificatore operazionale invertente. R1 è il resistore di feedback (Rf) e R2 è il resistore di ingresso (Rin). Se calcoliamo la corrente che scorre attraverso il resistore, allora-

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

Poiché il Dout è il punto medio del divisore, possiamo concludere

Come abbiamo descritto prima, a causa della massa virtuale o dello stesso punto di somma del nodo, la tensione di feedback è 0, Dout = 0. Quindi,

Quindi, la formula dell'amplificatore invertente per il guadagno ad anello chiuso sarà

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

Quindi, da questa formula, otteniamo una qualsiasi delle quattro variabili quando le altre tre variabili sono disponibili. Il calcolatore del guadagno dell'amplificatore operazionale può essere utilizzato per calcolare il guadagno di un amplificatore operazionale invertente.

Come possiamo vedere un segno negativo nella formula, l' uscita sarà sfasata di 180 gradi rispetto alla fase del segnale di ingresso.

Esempio pratico di amplificatore invertente

Nell'immagine sopra, viene mostrata una configurazione dell'amplificatore operazionale, in cui due resistori di feedback forniscono il feedback necessario nell'amplificatore operazionale. Il resistore R2 che è il resistore di ingresso e R1 è il resistore di retroazione. Il resistore di ingresso R2 che ha un valore di resistenza di 1K ohm e il resistore di retroazione R1 ha un valore di resistenza di 10k ohm. Calcoleremo il guadagno invertente dell'amplificatore operazionale. Il feedback è fornito nel terminale negativo e il terminale positivo è collegato a terra.

La formula per invertire il guadagno del circuito dell'amplificatore operazionale-

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

Nel circuito sopra Rf = R1 = 10k e Rin = R2 = 1k

Quindi, Guadagno (Av) = (Vout / Vin) = - (Rf / Rin) Guadagno (Av) = (Vout / Vin) = - (10k / 1k)

Quindi il guadagno sarà -10 volte e l'uscita sarà sfasata di 180 gradi.

Ora, se aumentiamo il guadagno dell'amplificatore operazionale a -20 volte, quale sarà il valore del resistore di feedback se il resistore di ingresso sarà lo stesso? Così, Guadagno = -20 e Rin = R2 = 1k. -20 = - (R1 / 1k) R1 = 20k

Quindi, se aumentiamo il valore di 10k a 20k, il guadagno dell'amplificatore operazionale sarà -20 volte.

Possiamo aumentare il guadagno dell'amplificatore operazionale cambiando il rapporto dei resistori, tuttavia, non è consigliabile utilizzare una resistenza inferiore come Rin o R2. Poiché il valore inferiore della resistenza abbassa l'impedenza di ingresso e crea un carico sul segnale di ingresso. In casi tipici viene utilizzato un valore compreso tra 4,7k e 10k per la resistenza di ingresso.

Quando un guadagno elevato richiede e dovremmo garantire un'alta impedenza in ingresso, dobbiamo aumentare il valore delle resistenze di feedback. Ma non è neppure consigliabile utilizzare resistori di valore molto alto su Rf. Il resistore di feedback più alto fornisce un margine di guadagno instabile e non può essere una scelta praticabile per operazioni legate alla larghezza di banda limitata. Valore tipico 100k o poco più di quello utilizzato nel resistore di retroazione.

Abbiamo anche bisogno di controllare la larghezza di banda del circuito dell'amplificatore operazionale per un funzionamento affidabile ad alto guadagno.

Amplificatore sommatore o circuito sommatore operazionale

Un amplificatore operazionale invertente può essere utilizzato in vari luoghi come amplificatore operazionale sommatore. Un'importante applicazione dell'amplificatore operazionale invertente è l'amplificatore sommatore o il mixer di terra virtuale.

Nell'immagine sopra, viene mostrato un mixer di terra virtuale o un amplificatore sommatore in cui un amplificatore operazionale invertito mescola diversi segnali attraverso il suo terminale invertente. L'ingresso di un amplificatore invertente è virtualmente al potenziale di terra, il che fornisce un'eccellente applicazione relativa al mixer nel lavoro relativo al missaggio audio.

Come possiamo vedere diversi segnali vengono sommati insieme attraverso il terminale negativo utilizzando diversi resistori di ingresso. Non c'è limite al numero di diversi ingressi di segnale che possono essere aggiunti. Il guadagno di ciascuna diversa porta di segnale è determinato dal rapporto tra il resistore di retroazione R2 e il resistore di ingresso del particolare canale.

Ulteriori informazioni sulle applicazioni dell'amplificatore operazionale seguendo vari circuiti basati sull'amplificatore operazionale. Questa configurazione di amplificatore operazionale invertente viene utilizzata anche in vari filtri come il filtro passa basso attivo o il filtro passa alto attivo.

Circuito amplificatore a transimpedenza

Un altro uso dell'amplificatore invertente dell'amplificatore operazionale consiste nell'utilizzare l'amplificatore come amplificatore a transimpedenza.

In tale circuito, l'amplificatore operazionale converte una corrente di ingresso molto bassa nella corrispondente tensione di uscita. Quindi, un amplificatore a transimpedenza converte la corrente in tensione.

Può convertire la corrente da fotodiodi, accelerometri o altri sensori che producono bassa corrente e utilizzando l'amplificatore a transimpedenza la corrente può essere convertita in tensione.

Nell'immagine sopra, un amplificatore operazionale invertito utilizzato per realizzare un amplificatore a transimpedenza che converte la corrente derivata dal fotodiodo in una tensione. L'amplificatore fornisce una bassa impedenza attraverso il fotodiodo e crea l'isolamento dalla tensione di uscita dell'amplificatore operazionale.

Nel circuito sopra, viene utilizzato un solo resistore di feedback. R1 è il resistore di feedback di alto valore. Possiamo cambiare il guadagno cambiando il valore di questo resistore R1. L'alto guadagno dell'amplificatore operazionale utilizza una condizione stabile in cui la corrente del fotodiodo è uguale alla corrente di feedback attraverso il resistore R1.

Poiché non forniamo alcuna polarizzazione esterna attraverso il fotodiodo, la tensione di offset in ingresso del fotodiodo è molto bassa, il che produce un grande guadagno di tensione senza alcuna tensione di offset in uscita. La corrente del foto-diodo verrà convertita in alta tensione di uscita.

Altre applicazioni dell'amplificatore operazionale invertente sono:

Cambio di fase
Integratore
In lavori relativi al bilanciamento del segnale
Mixer RF lineare
Vari sensori utilizzano un amplificatore operazionale invertente per l'uscita.