Amplificateurs opérationnels: Inversion vs topologies non inversées

Un amplificateur opérationnel, à la base, est un amplificateur de tension haute performance, intégré à une myriade de systèmes électroniques.Cet appareil pivote sur une philosophie de conception qui exploite les inductances, les condensateurs et les résistances.Ces composants s'entrelacent dans une danse de sophistication, orchestrant le gain de tension via un mécanisme de rétroaction complexe.En règle générale, un AMP-OP est distillé en trois bornes fondamentales: l'entrée inverse, l'entrée non inversée et la sortie.La danse complexe de ces terminaux dicte la performance et la portée de l'application de l'amplificateur.

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Dans un scénario idéalisé, un ampli op est un parangon de perfection, offrant des attributs comme une résistance infinie aux deux entrées - un témoignage du passage de aucun courant dans les bornes.Il garantit une tension uniforme entre les entrées, la résistance à la sortie nulle, le gain en boucle ouverte sans limites, la bande passante infinie et le décalage négligeable.Cependant, avant de nous plonger dans le domaine des amplificateurs opérationnels, il est très nécessaire de comprendre la nature de la rétroaction négative.Ce concept n'est pas simplement un pilier dans la conception de circuits;C'est la pierre angulaire des circuits électroniques stables à haute performance.

Notre article vise à démêler les nuances de la rétroaction négative, ses considérations de conception et l'amélioration des performances du circuit grâce à son optimisation.Suivant en ligne est une dissection méticuleuse de deux topologies d'amplificateurs opérationnelles pivots: les amplificateurs inversés et non inversés.Nous nous plongeons dans leurs principes, leurs méthodes de calcul et les éléments pivots de la conception de circuits.Cette plongée profonde nous permettra d'une vue panoramique sur la façon dont ces topologies d'amplificateur facilitent le contrôle de précision et la stabilité inébranlable dans les applications du monde réel.

Avant de comprendre les amplificateurs opérationnels (topologies inversantes et non inversées), nous devons comprendre un concept clé, une rétroaction négative.

La rétroaction négative n'est pas seulement une technique de conception de circuits, mais aussi la pierre angulaire de la réalisation de circuits électroniques à haute performance.Le concept de base de la rétroaction négative consiste à ajouter une résistance entre la sortie et l'entrée inverse, créant un système de contrôle en boucle fermée.

Les AMPS OP peuvent fournir des gains en boucle ouverte extrêmement élevés sans rétroaction négative, mais ces gains élevés sont souvent accompagnés de difficultés de contrôle et de mauvaise stabilité.

En introduisant une résistance de rétroaction entre la sortie et l'entrée inverseuse, une partie du signal de sortie de l'amplificateur est "la rétroaction" à l'entrée.Cette méthode "répandait efficacement" une partie du gain, contrôlant ainsi le gain global de l'amplificateur.

Sélection de la résistance de rétroaction: La valeur de la résistance de rétroaction affecte directement le gain en boucle fermée.Le choix de la valeur de résistance appropriée est essentiel pour atteindre le gain et les performances souhaités.

La relation entre le gain en boucle fermée et la bande passante: Le compromis entre le gain et la bande passante doit être pris en compte lors de la conception.L'augmentation du gain en boucle fermée entraîne généralement une réduction de la bande passante.

Stabilité et distorsion: Une rétroaction négative appropriée peut améliorer considérablement la stabilité du circuit et réduire la distorsion du signal.

Calcul précis du réseau de rétroaction: En calculant avec précision les paramètres des résistances de rétroaction et d'autres composants de circuit connexes, les performances de l'amplificateur telles que la linéarité, le niveau de bruit et la réponse en fréquence peuvent être optimisées.

Utilisez des composants électroniques de haute qualité: Le choix des résistances de haute précision, de faible bruit et d'autres composants peut améliorer les performances globales du circuit.

La rétroaction négative permet une plus grande stabilité et un meilleur contrôle en sacrifiant une partie du gain en boucle ouverte.

Il aide également à réduire les fluctuations des performances du circuit causées par des facteurs externes tels que les changements de température et l'instabilité de l'alimentation.

La rétroaction négative est une technologie clé dans la conception de l'amplificateur opérationnel.Il réalise la stabilité et la contrôlabilité de gagner par un contrôle fin en boucle fermée, ce qui est crucial pour améliorer les performances globales et la fiabilité des circuits électroniques.En acquérant une compréhension plus approfondie des principes de travail et des applications de la rétroaction négative, les concepteurs de circuits électroniques peuvent concevoir des systèmes de circuits plus précis et stables.

Dans la topologie de l'amplificateur inverseur, le noyau du circuit est l'amplificateur opérationnel, dont l'entrée inversée reçoit le signal de rétroaction négative de la sortie via la résistance RF.La caractéristique de cette topologie est que lorsque la tension de sortie augmente, la tension à la borne d'entrée inversée diminue, réduisant ainsi l'augmentation de la tension de sortie et formant une rétroaction négative.

Dans un monde idéal, nous supposons qu'il n'y a pas de différence de tension entre les bornes d'entrée de l'ampleur op, c'est-à-dire que les bornes inversées et non inversées seront à la même tension.Cet état est appelé "court-circuit virtuel".

Étant donné que la borne d'entrée non inversée est directement connectée au sol (la tension est 0V), la borne d'entrée inversée doit également être conservée à 0V pour satisfaire la condition de court-circuit virtuel.

Parmi eux, (0 - VIN) / R1 représente le courant de la borne d'entrée à la borne inverse, et (0 - Vout) / RF représente le courant de la borne de sortie vers le terminal inversé.

Cela montre que l'amplitude du gain est déterminée par le rapport de RF et R1, et en raison du signe négatif, le signal de sortie est hors phase (180 degrés hors phase) avec le signal d'entrée.

L'impédance d'entrée est définie en grande partie par la résistance d'entrée R1 dans l'amplificateur inverseur.Cela nécessite un examen attentif de l'impédance de sortie de la source de signal d'entrée pour une correspondance d'impédance efficace.

Réponse en fréquence, un aspect vital, rencontre des limites en raison des contraintes de bande passante inhérentes de l'ampli OP.Cela conduit à un équilibre nuancé entre le gain et la bande passante, qui doit être méticuleusement optimisé pour s'adapter à l'application spécifique à portée de main.

Le bruit et la stabilité, influencent considérablement les performances du circuit.Le profil de bruit du circuit, façonné par les résistances et les amplis op, peut être une source de préoccupation.Pourtant, ce n'est pas un défi insurmontable.En choisissant des composants à faible bruit et en utilisant une disposition de circuits réfléchie, ces problèmes peuvent être considérablement atténués.

Pour la topologie de l'amplificateur non inverseur, le principe de base est de connecter le signal d'entrée à l'entrée non inversée de l'amplificateur opérationnel et d'utiliser en même temps une résistance de rétroaction (RF) pour se connecter au terminal non inversé pour formerun contrôle en boucle fermée.Dans un état idéal, il est supposé que les tensions à la borne d'entrée non inversée et la borne d'entrée inversée (entrée inverse) de l'amplificateur opérationnel sont égales, c'est-à-dire qu'elles sont nulles à l'état sans signal.Dans ce cas, la tension à l'entrée non inversée est égale à la tension du signal d'entrée (VIN) car elle est directement connectée au signal d'entrée.

En appliquant la loi actuelle de Kirchhoff (KCL) au terminal inverseur, l'équation du nœud peut être établie.Cette équation prend en compte la somme des courants qui coulent dans le terminal inverseur, qui doit être nul (qui peut être ignoré en tenant compte du courant d'entrée extrêmement petit de l'ampleur op).

Ici, (VIN - VOUT) / RF est le courant circulant à travers la résistance de rétroaction à la borne inverse, et (VIN - 0) / R1 est le courant circulant à travers la résistance d'entrée vers la borne inverse.

Cette formule montre que le gain d'un amplificateur non inversé est déterminé par le rapport de la résistance de rétroaction à la résistance d'entrée et que le gain est d'au moins 1 (c'est-à-dire lorsque RF = 0).

Association d'impédance: Afin d'améliorer la stabilité du circuit et de réduire la distorsion du signal, la correspondance de l'impédance de sortie de la source de signal d'entrée et l'impédance d'entrée de l'amplificateur doivent être prises en compte.

Réponse en fréquence: En raison des limites de la bande passante de l'ampleur op, la réponse en fréquence d'un amplificateur non inverseur peut diminuer à mesure que le gain augmente.La conception doit envisager de sélectionner le modèle OP AMP approprié et de régler les paramètres du circuit pour répondre aux exigences de l'application.

Bruit et stabilité: le bruit de la résistance et le bruit interne de l'ampleur op-option affectent les performances des amplificateurs non inversés.Les résistances à faible bruit et les amplis opérationnels doivent être sélectionnés pendant la conception, et les stratégies de routage et de mise à la terre appropriées doivent être utilisées pour améliorer la stabilité globale et le rejet du bruit du circuit.

En plongeant profondément dans les nuances de la rétroaction négative, de l'amplificateur inversant et des topologies d'amplificateurs non inversées, nous gagnons une appréciation plus riche de leur rôle pivot dans le domaine de la conception de circuits électroniques modernes.Tournons d'abord notre attention vers les avantages des commentaires négatifs.C'est un changement de jeu: la rétroaction négative renforce fondamentalement la stabilité et la précision des circuits en diminuant le gain.Considérez, par exemple, un amplificateur opérationnel.Ici, la rétroaction négative est un puissant outil, réduisant considérablement l'impédance de sortie tout en augmentant simultanément l'impédance d'entrée.Cette double action affiche les caractéristiques de réponse du circuit.Cette amélioration est double: elle augmente non seulement les performances du circuit mais atténue également remarquablement les effets des fluctuations de température et du vieillissement de l'appareil sur l'efficacité du circuit.

Maintenant, naviguons dans les subtilités des topologies d'amplificateurs inversantes et non inversées.Les amplificateurs inversés, connus pour leur inversion de phase à 180 degrés entre les signaux d'entrée et de sortie, font partie intégrante des systèmes sonores et du traitement du signal.Prenez l'exemple des amplificateurs audio;Les amplificateurs inversés contribuent à fournir un signal de sortie sans distorsion vierge, augmentant ainsi la qualité audio.D'un autre côté, les amplificateurs non inversés jouent un rôle crucial dans l'acquisition de données et les interfaces de capteur, grâce à leur entrée et à leur sortie alignées en phase.Ils excellent dans les chemins de signal tronquant et la réduction des interférences de bruit, qui, à leur tour, amplifie le rapport signal / bruit du système.

En substance, cette connaissance fondamentale de la conception de circuits électroniques n'approfondait pas simplement notre compréhension des principes des circuits;Il établit une plate-forme robuste pour créer des systèmes électroniques efficaces, à faible bruit et adaptables.Une compréhension approfondie de ces concepts offre aux concepteurs électroniques d'une vaste toile pour l'innovation, stimulant les progrès continus de la technologie électronique.