반전 연산 증폭기

 

반전 연산 증폭기

반전 연산 증폭기 구성은 가장 간단하고 가장 일반적으로 사용되는 연산 증폭기 토폴로지 중 하나입니다.

반전 연산 증폭기는 기본적으로 이득이 항상 음수이므로 음의 출력 전압을 생성하는 일정 또는 고정 이득 증폭기입니다.

우리는 지난 튜토리얼에서 연산 증폭기의 개방 루프 게인 (A VO  )이 1,000,000(120dB) 이상으로 매우 높을 수 있다는 것을 확인했습니다.

그러나 이 매우 높은 이득은 증폭기를 불안정하게 만들고 가장 작은 입력 신호(몇 마이크로볼트(μV)만으로도 출력 전압을 포화되어 출력에 대한 완전한 제어를 상실하는 전압 공급 레일 중 하나 또는 다른 쪽으로 스윙합니다.

연산 증폭기의 개방 루프 DC 이득은 매우 높기 때문에 증폭기 전체에 걸쳐 출력 단자에서 반전 입력 단자까지 적절한 저항기를 연결하여 전체 이득을 줄이고 제어함으로써 높은 이득 중 일부를 잃을 여유가 있습니다. 증폭기의. 그러면 이는 일반적으로 네거티브 피드백으로 알려진 효과를 생성하고 이에 따라 매우 안정적인 연산 증폭기 기반 시스템을 생성합니다.

 

네거티브 피드백은 출력 신호의 일부를 입력으로 다시 "피드백"하는 프로세스이지만 피드백을 네거티브로 만들려면 외부 신호를 사용하여 연산 증폭기의 네거티브 또는 "반전 입력" 단자로 피드백해야 합니다. Rf 라고 불리는 피드백 저항기 . 출력과 반전 입력 단자 사이의 피드백 연결은 차동 입력 전압을 0으로 만듭니다.

이 효과는 증폭기에 폐쇄 루프 회로를 생성하여 증폭기의 이득을 이제 폐쇄 루프 이득 이라고 합니다 . 그러면 폐쇄 루프 반전 증폭기는 네거티브 피드백을 사용하여 증폭기의 전체 이득을 정확하게 제어하지만 증폭기 이득이 감소하는 대가를 치르게 됩니다.

이 네거티브 피드백은 입력 전압과 네거티브 피드백 전압의 합이 합산점이라는 레이블 또는 항을 제공하므로 실제 입력 전압과 다른 신호를 갖는 반전 입력 단자가 발생 합니다 . 따라서 입력 저항 Rin을 사용 하여 반전 입력에서 실제 입력 신호를 분리해야 합니다 .

양의 비반전 입력을 사용하지 않기 때문에 이는 아래와 같이 공통 접지 또는 0 전압 단자에 연결되지만 이 폐쇄 루프 피드백 회로의 효과로 인해 반전 입력의 전압 전위가 입력의 전압 전위와 동일해집니다. 가상 지구 합산점을 생성하는 비반전 입력은 접지된 기준 입력과 동일한 전위에 있기 때문입니다. 즉, 연산 증폭기는 "차동 증폭기"가 됩니다.

반전 연산 증폭기 구성

이 반전 증폭기 회로에서 연산 증폭기는 피드백과 연결되어 폐쇄 루프 작동을 생성합니다. 연산 증폭기를 다룰 때 반전 증폭기에 대해 기억해야 할 두 가지 매우 중요한 규칙이 있습니다. 이는 "입력 단자로 전류가 흐르지 않음"과 "V1은 항상 V2와 같습니다"입니다. 그러나 실제 연산 증폭기 회로에서는 이러한 규칙이 모두 약간 깨졌습니다.

이는 입력과 피드백 신호(  X )의 접합  이 0V 또는 접지에 있는 양극( + ) 입력  과 동일한 전위에 있기  때문에 접합은 "가상 접지" 입니다 . 이 가상 접지 노드로 인해 증폭기의 입력 저항은 입력 저항 Rin 의 값과 동일하며 반전 증폭기의 폐쇄 루프 이득은 두 외부 저항의 비율로 설정될 수 있습니다.

위에서 우리는 반전 증폭기 또는 해당 문제에 대한 연산 증폭기에 대해 기억해야 할 두 가지 매우 중요한 규칙이 있다고 말했습니다 .

• 입력 단자에 전류가 흐르지 않음
• 차동 입력 전압은 V1 = V2 = 0 (가상 접지) 이므로 0입니다.

그런 다음 이 두 가지 규칙을 사용하여 첫 번째 원리를 사용하여 반전 증폭기의 폐쇄 루프 이득을 계산하는 방정식을 유도할 수 있습니다.

전류(  i  )는 그림과 같이 저항기 네트워크를 통해 흐릅니다.

 

그러면 반전 증폭기의 폐루프 전압 이득은 다음과 같이 주어진다.

그리고 이것은 Vout을 다음과 같이 나타내기 위해 전치될 수 있습니다:

선형 출력

방정식에서 음의 부호는 입력에 대한 출력 신호의 반전을 나타냅니다. 이는 위상이 180 도 다르기 때문입니다. 이는 피드백 값이 음수이기 때문입니다.

출력 전압 Vout 에 대한 방정식은 또한 Vout = Vin x Gain과 같이 고정 증폭기 이득에 대해 회로가 본질적으로 선형임을 보여줍니다. 이 속성은 더 작은 센서 신호를 훨씬 더 큰 전압으로 변환하는 데 매우 유용할 수 있습니다.

반전 증폭기의 또 다른 유용한 응용 분야는 "트랜스저항 증폭기" 회로의 응용 분야입니다. " 트랜스임피던스 증폭기 "라고도 알려진 트랜스 저항 증폭기는 기본적으로 전류-전압 변환기(전류 "입력" 및 전압 "출력")입니다. 이 제품은 저전력 응용 분야에서 광 다이오드 또는 광 감지 장치 등에 의해 생성된 매우 작은 전류를 그림과 같이 입력 전류에 비례하는 사용 가능한 출력 전압으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다.

트랜스저항 증폭기 회로

위의 간단한 광 활성화 회로는 포토다이오드에서 생성된 전류를 전압으로 변환합니다. 피드백 저항 Rf는 반전 입력에서 작동 전압 지점을 설정하고 출력량을 제어합니다. 출력 전압은 Vout = Is x Rf 로 주어진다 . 따라서 출력 전압은 포토다이오드에 의해 생성된 입력 전류의 양에 비례합니다.

반전 연산 증폭기 예제 No1

다음 반전 증폭기 회로의 폐쇄 루프 이득을 구하십시오.

이전에 찾은 회로 이득 공식을 사용하여

이제 회로의 저항 값을 다음과 같이 대체할 수 있습니다.

Rin = 10kΩ   및   Rf = 100kΩ

회로의 이득은 다음과 같이 계산됩니다. -Rf/Rin = 100k/10k = -10

따라서 위의 반전증폭기 회로의 폐루프 이득은 -10 또는 20dB (20log(10)) 이 된다 .

반전 연산 증폭기 예제 No2

원래 회로의 이득은 40 (32dB)으로 증가하고 필요한 저항의 새로운 값을 찾습니다.

입력 저항이 10KΩ 의 동일한 값으로 유지된다고 가정하면 폐쇄 루프 전압 이득 공식을 재배열하여 피드백 저항 Rf 에 필요한 새 값을 찾을 수 있습니다 .

   이득 = Rf/Rin

따라서   Rf = 이득 x Rin

  Rf = 40 x 10,000

  Rf = 400,000 또는 400KΩ

회로가 40 의 이득을 갖는 데 필요한 저항의 새로운 값은 다음과 같습니다.

 Rin = 10KΩ   및   Rf = 400KΩ

Rf 의 동일한 값을 유지하면서 Rin 의 새로운 값을 제공하도록 공식을 재배열할 수도 있습니다 .

연산 증폭기의 반전 증폭기 구성 에 대해 주의할 마지막 사항은 두 저항의 값이 동일한 경우( Rin = Rf)   증폭기의 이득은 -1이 되어 출력에서 ​​입력 전압의 상보적인 형태를 Vout 으로 생성한다는 것입니다. = -빈 . 이러한 유형의 반전 증폭기 구성을 일반적으로 단순히 반전 버퍼 의 단위 게인 인버터 라고 합니다 .

연산 증폭기에 대한 다음 튜토리얼에서는 입력과 "동위상"인 출력 신호를 생성하는 비반전 증폭기라고 불리는 반전 증폭기 연산 증폭기 회로의 보완물을 분석합니다.