Приложения для операционных усилителей
Цепь называется linear, если существует линейная зависимость между его входом и выходом. Точно так же цепь называетсяnon-linear, если между его входом и выходом существует нелинейная зависимость.
Операционные усилители могут использоваться как в линейных, так и в нелинейных приложениях. Ниже приведены основные области применения операционного усилителя:
- Инвертирующий усилитель
- Неинвертирующий усилитель
- Повторитель напряжения
В этой главе подробно обсуждаются эти основные приложения.
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель принимает входной сигнал через свой инвертирующий вывод через резистор $ R_ {1} $ и производит свою усиленную версию в качестве выхода. Этот усилитель не только усиливает входной сигнал, но и инвертирует его (меняет знак).
В circuit diagram инвертирующего усилителя показан на следующем рисунке -
Обратите внимание, что для операционного усилителя напряжение на инвертирующей входной клемме равно напряжению на ее неинвертирующей входной клемме. Физически между этими двумя терминалами нет замыкания, ноvirtually, они в short друг с другом.
В схеме, показанной выше, неинвертирующий входной терминал подключен к земле. Это означает, что на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя подается нулевое напряжение.
Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя будет нулевым вольт.
В nodal equation на этом узле терминала показано ниже -
$$ \ frac {0-V_i} {R_1} + \ frac {0-V_0} {R_f} = 0 $$
$$ => \ frac {-V_i} {R_1} = \ frac {V_0} {R_f} $$
$$ => V_ {0} = \ left (\ frac {-R_f} {R_1} \ right) V_ {t} $$
$$ => \ frac {V_0} {V_i} = \ frac {-R_f} {R_1} $$
Отношение выходного напряжения $ V_ {0} $ и входного напряжения $ V_ {i} $ представляет собой коэффициент усиления по напряжению или коэффициент усиления усилителя. Следовательноgain of inverting amplifier равно $ - \ frac {R_f} {R_1} $.
Обратите внимание, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя имеет negative sign. Это указывает на то, что существует разность фаз 180 0 между входом и выходом.
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель принимает входной сигнал через неинвертирующий вывод и выдает усиленную версию в качестве выхода. Как следует из названия, этот усилитель просто усиливает входной сигнал, не инвертируя и не меняя знак выхода.
В circuit diagram неинвертирующего усилителя показан на следующем рисунке -
В приведенной выше схеме входное напряжение $ V_ {i} $ подается непосредственно на неинвертирующий входной терминал операционного усилителя. Итак, напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя будет $ V_ {i} $.
Используя voltage division principle, мы можем рассчитать напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя, как показано ниже -
$$ => V_ {1} = V_ {0} \ left (\ frac {R_1} {R_1 + R_f} \ right) $$
Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующем входном выводе операционного усилителя такое же, как напряжение на его неинвертирующем входном выводе.
$$ => V_ {1} = V_ {i} $$
$$ => V_ {0} \ left (\ frac {R_1} {R_1 + R_f} \ right) = V_ {i} $$
$$ => \ frac {V_0} {V_i} = \ frac {R_1 + R_f} {R_1} $$
$$ => \ frac {V_0} {V_i} = 1 + \ frac {R_f} {R_1} $$
Теперь соотношение выходного напряжения $ V_ {0} $ и входного напряжения $ V_ {i} $ или коэффициента усиления по напряжению, или gain of the non-inverting amplifier равно $ 1 + \ frac {R_f} {R_1} $.
Обратите внимание, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя имеет positive sign. Это указывает на отсутствие разницы фаз между входом и выходом.
Повторитель напряжения
А voltage followerпредставляет собой электронную схему, которая производит выходной сигнал, соответствующий входному напряжению. Это частный случай неинвертирующего усилителя.
Если мы рассматриваем значение резистора обратной связи $ R_ {f} $ как ноль Ом и (или) значение резистора 1 как бесконечное сопротивление, то неинвертирующий усилитель становится повторителем напряжения. Вcircuit diagram повторителя напряжения показан на следующем рисунке -
В приведенной выше схеме входное напряжение $ V_ {i} $ подается непосредственно на неинвертирующую входную клемму операционного усилителя. Таким образом, напряжение на неинвертирующем входном выводе операционного усилителя равно $ V_ {i} $. Здесь выход напрямую подключен к инвертирующей входной клемме операционного усилителя. Следовательно, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равно $ V_ {0} $.
Согласно virtual short concept, напряжение на инвертирующей входной клемме операционного усилителя такое же, как напряжение на ее неинвертирующей входной клемме.
$$ => V_ {0} = V_ {i} $$
Таким образом, выходное напряжение $ V_ {0} $ повторителя напряжения равно его входному напряжению $ V_ {i} $.
Таким образом gain of a voltage follower равно единице, поскольку выходное напряжение $ V_ {0} $ и входное напряжение $ V_ {i} $ повторителя напряжения одинаковы.