Amplificadores operativos: inversión versus topologías no inversas

Un amplificador operativo, en su núcleo, es un amplificador de voltaje de alto rendimiento, esencial para una miríada de sistemas electrónicos.Este dispositivo gira en una filosofía de diseño que aprovecha inductores, condensadores y resistencias.Estos componentes se entrelazan en un baile de sofisticación, orquestando la ganancia de voltaje a través de un mecanismo de retroalimentación compleja.Por lo general, un amplificador operacional se destila en tres terminales fundamentales: la entrada invertida, la entrada no inversora y la salida.El intrincado baile de estos terminales dicta el rendimiento y el alcance de la aplicación del amplificador.

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En un escenario idealizado, un amplificador operacional es un modelo de perfección, que cuenta con atributos como la resistencia infinita en ambas entradas, un testimonio del paso de ninguna corriente en los terminales.Asegura un voltaje uniforme a través de las entradas, resistencia a la salida cero, ganancia de circuito abierto ilimitado, ancho de banda infinito y desplazamiento insignificante.Sin embargo, antes de profundizar en el ámbito de los amplificadores operativos, es muy necesario comprender la naturaleza de la retroalimentación negativa.Este concepto no es simplemente un pilar en el diseño del circuito;Es la piedra angular para los circuitos electrónicos estables de alto rendimiento.

Nuestro artículo tiene como objetivo desentrañar los matices de la retroalimentación negativa, sus consideraciones de diseño y la mejora del rendimiento del circuito a través de su optimización.El siguiente en la fila es una disección meticulosa de dos topologías de amplificadores operacionales fundamentales: los amplificadores invertidos y no inversores.Profundamos en sus principios, métodos de cálculo y los elementos fundamentales en el diseño de circuitos.Esta inmersión profunda nos permitirá una visión panorámica de cómo estas topologías de amplificadores facilitan el control de precisión y la estabilidad inquebrantable en las aplicaciones del mundo real.

Antes de comprender los amplificadores operativos (topologías invertidas y no inversas), necesitamos comprender un concepto clave, la retroalimentación negativa.

La retroalimentación negativa no es solo una técnica de diseño de circuito, sino también la piedra angular de lograr circuitos electrónicos de alta estatus de alta estabilidad y alta estabilidad.El concepto básico de retroalimentación negativa es agregar una resistencia entre la salida y la entrada de inversión, creando un sistema de control de circuito cerrado.

Los amplificadores operacionales pueden proporcionar ganancias de bucle abiertos extremadamente altas sin retroalimentación negativa, pero tales altas ganancias a menudo van acompañadas de dificultades de control y poca estabilidad.

Al introducir una resistencia de retroalimentación entre la salida y la entrada de inversión, una porción de la señal de salida del amplificador es "retroalimentación" a la entrada.Este método efectivamente "extiende" parte de la ganancia, controlando así la ganancia general del amplificador.

Selección de resistencia de retroalimentación: El valor de la resistencia de retroalimentación afecta directamente la ganancia de circuito cerrado.Elegir el valor de resistencia apropiado es clave para lograr la ganancia y el rendimiento deseados.

La relación entre la ganancia de circuito cerrado y el ancho de banda: La compensación entre ganancia y ancho de banda debe considerarse durante el diseño.El aumento de la ganancia de circuito cerrado generalmente resulta en una reducción en el ancho de banda.

Estabilidad y distorsión: La retroalimentación negativa apropiada puede mejorar significativamente la estabilidad del circuito y reducir la distorsión de la señal.

Cálculo preciso de la red de retroalimentación: Al calcular con precisión los parámetros de las resistencias de retroalimentación y otros componentes del circuito relacionados, se puede optimizar el rendimiento del amplificador, como la linealidad, el nivel de ruido y la respuesta de frecuencia.

Utilice componentes electrónicos de alta calidad: Elegir resistencias de alta precisión, bajo ruido y otros componentes puede mejorar el rendimiento general del circuito.

La retroalimentación negativa permite una mayor estabilidad y un mejor control al sacrificar parte de la ganancia de circuito abierto.

También ayuda a reducir las fluctuaciones del rendimiento del circuito causadas por factores externos como los cambios de temperatura e inestabilidad de la fuente de alimentación.

La retroalimentación negativa es una tecnología clave en el diseño del amplificador operativo.Logra la estabilidad de ganancia y la capacidad de control a través del control fino de circuito cerrado, lo cual es crucial para mejorar el rendimiento general y la confiabilidad de los circuitos electrónicos.Al obtener una comprensión más profunda de los principios y aplicaciones de trabajo de la retroalimentación negativa, los diseñadores de circuitos electrónicos pueden diseñar sistemas de circuito más precisos y estables.

En la topología del amplificador de inversión, el núcleo del circuito es el amplificador operacional, cuya entrada de inversión recibe la señal de retroalimentación negativa de la salida a través de la resistencia RF.La característica de esta topología es que cuando aumenta el voltaje de salida, el voltaje en el terminal de entrada de inversión disminuye, reduciendo así el aumento en el voltaje de salida y formando retroalimentación negativa.

En un mundo ideal, suponemos que no hay diferencia de voltaje entre los terminales de entrada del amplificador operacional, es decir, los terminales invertidos y no inversores estarán en el mismo voltaje.Este estado se llama "cortocircuito virtual".

Dado que el terminal de entrada no inversor está conectado directamente al suelo (el voltaje es 0 V), el terminal de entrada de inversión también debe mantenerse a 0 V para satisfacer la condición virtual de cortocircuito.

Entre ellos, (0 - VIN)/R1 representa la corriente desde el terminal de entrada al terminal de inversión, y (0 - Vout)/RF representa la corriente desde el terminal de salida al terminal de inversión.

Esto muestra que la magnitud de la ganancia está determinada por la relación de RF y R1, y debido al signo negativo, la señal de salida está fuera de fase (180 grados fuera de fase) con la señal de entrada.

La impedancia de entrada se define en gran medida por la resistencia de entrada R1 en el amplificador de inversión.Esto requiere una consideración cuidadosa de la impedancia de salida de la fuente de señal de entrada para una coincidencia de impedancia efectiva.

La respuesta de frecuencia, un aspecto vital, encuentra limitaciones debido a las limitaciones inherentes de ancho de banda del amplificador operacional.Esto lleva a un acto de equilibrio matizado entre ganancia y ancho de banda, que debe optimizarse meticulosamente para adaptarse a la aplicación específica en cuestión.

El ruido y la estabilidad influyen significativamente en el rendimiento del circuito.El perfil de ruido del circuito, conformado por las resistencias y los amplificadores operacionales, puede ser una fuente de preocupación.Sin embargo, este no es un desafío insuperable.Al elegir componentes de bajo ruido y emplear un diseño de circuito reflexivo, estos problemas pueden mitigarse sustancialmente.

Para la topología del amplificador no inversor, el principio básico es conectar la señal de entrada a la entrada no invertida del amplificador operacional, y al mismo tiempo usar una resistencia de retroalimentación (RF) para conectarse al terminal no invertido para formarun control de circuito cerrado.En un estado ideal, se supone que los voltajes en el terminal de entrada no inversor y el terminal de entrada invertir (entrada invertida) del amplificador operacional son iguales, es decir, son tensión cero en el estado de no señal.En este caso, el voltaje en la entrada no invertida es igual al voltaje de la señal de entrada (VIN) porque está conectado directamente a la señal de entrada.

Aplicando la ley actual de Kirchhoff (KCL) al terminal invertido, se puede establecer la ecuación del nodo.Esta ecuación tiene en cuenta la suma de las corrientes que fluyen hacia el terminal de inversión, que debe ser cero (que puede ignorarse teniendo en cuenta la corriente de entrada extremadamente pequeña del amplificador OP).

Aquí, (VIN - Vout)/RF es la corriente que fluye a través de la resistencia de retroalimentación al terminal de inversión, y (vin - 0)/R1 es la corriente que fluye a través de la resistencia de entrada al terminal de inversión.

Esta fórmula muestra que la ganancia de un amplificador no inversor está determinada por la relación de la resistencia de retroalimentación a la resistencia de entrada y que la ganancia es al menos 1 (es decir, cuando RF = 0).

Matriota de impedancia: para mejorar la estabilidad del circuito y reducir la distorsión de la señal, se debe considerar la coincidencia de la impedancia de salida de la fuente de señal de entrada y la impedancia de entrada del amplificador.

Respuesta de frecuencia: debido a las limitaciones de ancho de banda del amplificador operacional, la respuesta de frecuencia de un amplificador no inversor puede disminuir a medida que aumenta la ganancia.El diseño debe considerar seleccionar el modelo de amplificador OP apropiado y ajustar los parámetros del circuito para cumplir con los requisitos de aplicación.

Ruido y estabilidad: ruido de resistencia y ruido interno del amplificador operacional afectan el rendimiento del amplificador no inversor.Las resistencias de bajo ruido y los amplificadores operacionales deben seleccionarse durante el diseño, y las estrategias de enrutamiento y conexión a tierra adecuadas deben usarse para mejorar la estabilidad general y el rechazo de ruido del circuito.

Al profundizar profundamente en los matices de la retroalimentación negativa, el amplificador invertido y las topologías de amplificadores no inversores, obtenemos una apreciación más rica de su papel fundamental en el ámbito del diseño moderno de circuitos electrónicos.Primero volvamos nuestra atención a los beneficios de la retroalimentación negativa.Es un cambio de juego: la retroalimentación negativa fundamentalmente refuerza tanto la estabilidad como la precisión en los circuitos al disminuir la ganancia.Considere, por ejemplo, un amplificador operativo.Aquí, la retroalimentación negativa es una herramienta potente, reduciendo drásticamente la impedancia de salida y al mismo tiempo aumenta la impedancia de entrada.Esta doble acción ajusta las características de respuesta del circuito.Esta mejora es doble: no solo eleva el rendimiento del circuito, sino que también mitiga notablemente los efectos de las fluctuaciones de temperatura y el envejecimiento del dispositivo en la eficiencia del circuito.

Ahora, navegemos por las complejidades de las topologías de amplificadores inversores y no inversores.Los amplificadores invertidos, conocidos por su inversión de fase de 180 grados entre las señales de entrada y salida, son parte integral de los sistemas de sonido y el procesamiento de señales.Tome los amplificadores de audio como ejemplo;Los amplificadores invertidos son fundamentales para entregar una señal de salida prístina y libre de distorsión, elevando así la calidad de audio.Por otro lado, los amplificadores no inversores juegan un papel crucial en la adquisición de datos e interfaces de sensores, gracias a su entrada y salida alineada en fase.Se destacan en rutas de señal de truncado y una interferencia de ruido reductor, lo que, a su vez, amplifica la relación señal / ruido del sistema.

En esencia, este conocimiento fundamental del diseño de circuitos electrónico no solo profundiza nuestra comprensión de los principios de circuitos;Establece una plataforma robusta para crear sistemas electrónicos eficientes, de bajo ruido y adaptables.Una comprensión exhaustiva de estos conceptos equipa a los diseñadores electrónicos con un vasto lienzo para la innovación, lo que estimula los avances continuos en la tecnología electrónica.