Amplificadores operacionais: Inverter vs topologias não inversoras

Um amplificador operacional, em sua essência, é um amplificador de tensão de alto desempenho, integrante de uma infinidade de sistemas eletrônicos.Este dispositivo gira em uma filosofia de design que aproveita os indutores, capacitores e resistores.Esses componentes se entrelaçam em uma dança de sofisticação, orquestrando o ganho de tensão por meio de um mecanismo de feedback complexo.Normalmente, um amplificador operacional é destilado em três terminais fundamentais: a entrada invertida, a entrada não inversora e a saída.A dança intrincada desses terminais determina o performance e o escopo do aplicativo do amplificador.

Catálogo

Em um cenário idealizado, um amplificador op é um modelo de perfeição, com atributos como resistência infinita em ambos os insumos - uma prova da passagem de nenhuma corrente para os terminais.Ele garante tensão uniforme entre as entradas, resistência a zero de saída, ganho de malha aberta sem limites, largura de banda infinita e deslocamento insignificante.No entanto, antes de nos aprofundarmos no domínio dos amplificadores operacionais, é muito necessário entender a natureza do feedback negativo.Esse conceito não é apenas um pilar no design do circuito;É a pedra angular dos circuitos eletrônicos estáveis ​​e de alto desempenho.

Nosso artigo visa desvendar as nuances de feedback negativo, suas considerações de design e o aprimoramento do desempenho do circuito por meio de sua otimização.O próximo na fila é uma dissecção meticulosa de duas topologias de amplificador operacional fundamental: os amplificadores inversores e não inversores.Nós nos aprofundamos em seus princípios, métodos de cálculo e os elementos fundamentais no design do circuito.Esse mergulho profundo nos proporcionará uma visão panorâmica de como essas topologias de amplificador facilitarão o controle de precisão e a estabilidade inabalável em aplicações do mundo real.

Antes de entender os amplificadores operacionais (topologias inversoras e não inversoras), precisamos entender um conceito-chave, feedback negativo.

O feedback negativo não é apenas uma técnica de design de circuito, mas também a pedra angular da obtenção de circuitos eletrônicos de alto desempenho e alta estabilidade.O conceito básico de feedback negativo é adicionar um resistor entre a saída e a entrada invertida, criando um sistema de controle de malha fechada.

Os amplificadores OP podem fornecer ganhos de circuito aberto extremamente altos sem feedback negativo, mas esses ganhos altos são frequentemente acompanhados por dificuldades de controle e baixa estabilidade.

Ao introduzir um resistor de feedback entre a saída e a entrada invertida, uma parte do sinal de saída do amplificador é "feedback" de volta à entrada.Esse método "se espalha efetivamente" parte do ganho, controlando assim o ganho geral do amplificador.

Seleção do resistor de feedback: O valor do resistor de feedback afeta diretamente o ganho de malha fechada.Escolher o valor apropriado do resistor é essencial para alcançar o ganho e o desempenho desejados.

A relação entre ganho de malha fechada e largura de banda: A troca entre ganho e largura de banda precisa ser considerada durante o design.Aumentar o ganho de circuito fechado geralmente resulta em uma redução na largura de banda.

Estabilidade e distorção: O feedback negativo apropriado pode melhorar significativamente a estabilidade do circuito e reduzir a distorção do sinal.

Cálculo preciso da rede de feedback: Ao calcular com precisão os parâmetros dos resistores de feedback e outros componentes do circuito relacionados, o desempenho do amplificador, como linearidade, nível de ruído e resposta de frequência, pode ser otimizado.

Use componentes eletrônicos de alta qualidade: Escolher resistores de alta precisão e baixo ruído e outros componentes pode melhorar o desempenho geral do circuito.

O feedback negativo permite maior estabilidade e melhor controle sacrificando parte do ganho de malha aberta.

Também ajuda a reduzir as flutuações do desempenho do circuito causadas por fatores externos, como alterações de temperatura e instabilidade da fonte de alimentação.

O feedback negativo é uma tecnologia essencial no design do amplificador operacional.Ele atinge a estabilidade e a controlabilidade por meio de controle de circuito fechado, o que é crucial para melhorar o desempenho geral e a confiabilidade dos circuitos eletrônicos.Ao obter uma compreensão mais profunda dos princípios de trabalho e aplicações de feedback negativo, os designers de circuitos eletrônicos podem projetar sistemas de circuito mais precisos e estáveis.

Na topologia do amplificador invertido, o núcleo do circuito é o amplificador operacional, cuja entrada invertida recebe o sinal de feedback negativo da saída através do RF resistor.A característica dessa topologia é que, quando a tensão de saída aumenta, a tensão no terminal de entrada inversora diminui, reduzindo assim o aumento da tensão de saída e formando feedback negativo.

Em um mundo ideal, assumimos que não há diferença de tensão entre os terminais de entrada do amplificador operacional, ou seja, os terminais inversores e não inversores estarão na mesma tensão.Esse estado é chamado de "curto -circuito virtual".

Como o terminal de entrada não inversora está diretamente conectado ao solo (a tensão é 0V), o terminal de entrada inversora também deve ser mantido em 0V para satisfazer a condição virtual de curto-circuito.

Entre eles, (0 - VIN)/R1 representa a corrente do terminal de entrada para o terminal invertido e (0 - VOUT)/RF representa a corrente do terminal de saída para o terminal de inversão.

Isso mostra que a magnitude do ganho é determinada pela razão de RF e R1 e, devido ao sinal negativo, o sinal de saída está fora de fase (180 graus fora de fase) com o sinal de entrada.

A impedância de entrada é definida em grande parte pelo resistor de entrada R1 no amplificador inversor.Isso requer uma consideração cuidadosa da impedância de saída da fonte de sinal de entrada para uma correspondência efetiva de impedância.

A resposta da frequência, um aspecto vital, encontra limitações devido às restrições inerentes à largura de banda do amplificador de OP.Isso leva a um ato de equilíbrio diferenciado entre ganho e largura de banda, que deve ser meticulosamente otimizado para se adequar à aplicação específica em questão.

Ruído e estabilidade influenciam significativamente o desempenho do circuito.O perfil de ruído do circuito, moldado pelos resistores e amplificadores de OP, pode ser uma fonte de preocupação.No entanto, este não é um desafio intransponível.Ao escolher componentes de baixo ruído e empregar um layout de circuito atencioso, esses problemas podem ser substancialmente atenuados.

Para a topologia do amplificador não inversor, o princípio básico é conectar o sinal de entrada à entrada não inversora do amplificador operacional e, ao mesmo tempoum controle de circuito fechado.Em um estado ideal, supõe-se que as tensões no terminal de entrada não inversores e o terminal de entrada inversora (entrada invertida) do amplificador operacional sejam iguais, ou seja, são zero de tensão no estado sem sinal.Nesse caso, a tensão na entrada não inversora é igual à tensão do sinal de entrada (VIN) porque está diretamente conectada ao sinal de entrada.

Aplicando a lei atual de Kirchhoff (KCL) ao terminal de inversão, a equação do nó pode ser estabelecida.Essa equação leva em consideração a soma das correntes que fluem para o terminal de inversão, que deve ser zero (que pode ser ignorado considerando a corrente de entrada extremamente pequena do amplificador operacional).

Aqui, (Vin - VOUT)/RF é a corrente que flui através do resistor de feedback ao terminal invertido e (VIN - 0)/R1 é a corrente que flui através do resistor de entrada para o terminal de inversão.

Esta fórmula mostra que o ganho de um amplificador não inversor é determinado pela razão do resistor de feedback para o resistor de entrada e que o ganho é de pelo menos 1 (ou seja, quando RF = 0).

Combinação de impedância: para melhorar a estabilidade do circuito e reduzir a distorção do sinal, a correspondência da impedância de saída da fonte de sinal de entrada e a impedância de entrada do amplificador devem ser consideradas.

Resposta de frequência: Devido às limitações de largura de banda do amplificador operacional, a resposta de frequência de um amplificador não inversor pode diminuir à medida que o ganho aumenta.O design deve considerar a seleção do modelo de amplificador op apropriado e ajustando os parâmetros do circuito para atender aos requisitos de aplicação.

Ruído e estabilidade: o ruído do resistor e o ruído interno do amplificador operacional afetam o desempenho do amplificador não inversor.Resistores de baixo ruído e amplificadores OP devem ser selecionados durante o projeto, e as estratégias adequadas de roteamento e aterramento devem ser usadas para melhorar a estabilidade geral e a rejeição de ruído do circuito.

Ao investigar profundamente as nuances de feedback negativo, o amplificador invertido e as topologias de amplificadores não inversores, obtemos uma apreciação mais rica de seu papel fundamental no reino do design moderno de circuitos eletrônicos.Vamos primeiro voltar nossa atenção para os benefícios do feedback negativo.É uma mudança de jogo: o feedback negativo reforça fundamentalmente a estabilidade e a precisão dos circuitos, diminuindo o ganho.Considere, por exemplo, um amplificador operacional.Aqui, o feedback negativo é uma ferramenta potente, reduzindo drasticamente a impedância de saída enquanto aumenta simultaneamente a impedância de entrada.Essa ação dupla ajusta as características de resposta do circuito.Esse aprimoramento é duplo: não apenas eleva o desempenho do circuito, mas também mitiga notavelmente os efeitos das flutuações de temperatura e o envelhecimento do dispositivo na eficiência do circuito.

Agora, vamos navegar pelos meandros de topologias de amplificador inversor e não inversor.Os amplificadores invertidos, conhecidos por sua inversão de fase de 180 graus entre os sinais de entrada e saída, são parte integrante dos sistemas de som e processamento de sinais.Tome amplificadores de áudio como exemplo;Os amplificadores invertidos são fundamentais na entrega de um sinal de saída intocado e sem distorção, elevando assim a qualidade do áudio.Por outro lado, os amplificadores não inversores desempenham um papel crucial na aquisição de dados e nas interfaces de sensor, graças à sua entrada e saída alinhadas à fase.Eles se destacam em truncá-lo e reduzir a interferência de ruído, o que, por sua vez, amplifica a relação sinal / ruído do sistema.

Em essência, esse conhecimento fundamental do design de circuitos eletrônicos não apenas aprofunda nossa compreensão dos princípios de circuito;Ele estabelece uma plataforma robusta para criar sistemas eletrônicos eficientes, de baixo ruído e adaptável.Uma compreensão completa desses conceitos equipa os designers eletrônicos com uma vasta tela para inovação, estimulando avanços contínuos na tecnologia eletrônica.