แอมพลิฟายเออร์การดำเนินงาน: การกลับเข้ากับทอพอโลยีที่ไม่ได้กลับรายการ

แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการที่แกนกลางเป็นแอมพลิฟายเออร์แรงดันไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์มากมายอุปกรณ์นี้หมุนตัวบนปรัชญาการออกแบบที่ใช้ประโยชน์จากตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุและตัวต้านทานส่วนประกอบเหล่านี้เชื่อมโยงกันในการเต้นรำของความซับซ้อนการปรับแรงดันไฟฟ้าจะได้รับผ่านกลไกการตอบรับที่ซับซ้อนโดยทั่วไปแล้ว op-amp จะถูกกลั่นเป็นสามขั้วพื้นฐาน: อินพุตกลับตัว, อินพุตที่ไม่ตรงกันและเอาต์พุตการเต้นรำที่ซับซ้อนของเทอร์มินัลเหล่านี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและขอบเขตการใช้งานของแอมพลิฟายเออร์

แคตตาล็อก

ในสถานการณ์ในอุดมคติแอมป์ OP เป็นความสมบูรณ์แบบของความสมบูรณ์แบบโดยมีคุณลักษณะที่มีความต้านทานไม่สิ้นสุดที่อินพุตทั้งสองซึ่งเป็นข้อพิสูจน์ว่าไม่มีทางเดินของกระแสเข้าสู่อาคารผู้โดยสารมันช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่สม่ำเสมอในอินพุตความต้านทานเอาต์พุตเป็นศูนย์อัตราขยายแบบเปิดโล่งไร้ขอบเขตแบนด์วิดท์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดและออฟเซ็ตเล็กน้อยอย่างไรก็ตามก่อนที่เราจะเจาะลึกเข้าไปในขอบเขตของแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการมันเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจธรรมชาติของข้อเสนอแนะเชิงลบแนวคิดนี้ไม่ได้เป็นเพียงเสาหลักในการออกแบบวงจรมันเป็นรากฐานที่สำคัญสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง

บทความของเรามีจุดมุ่งหมายที่จะคลี่คลายความแตกต่างของข้อเสนอแนะเชิงลบการพิจารณาการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพถัดไปในบรรทัดคือการผ่าอย่างพิถีพิถันของทอพอโลยีแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้สองครั้ง: แอมพลิฟายเออร์แบบคว่ำและไม่ตรงกันเราเจาะลึกหลักการวิธีการคำนวณและองค์ประกอบสำคัญในการออกแบบวงจรการดำน้ำลึกนี้จะทำให้เรามีมุมมองแบบพาโนรามาว่าทอพอโลยีแอมพลิฟายเออร์เหล่านี้อำนวยความสะดวกในการควบคุมความแม่นยำและความมั่นคงอย่างไม่เปลี่ยนแปลงในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง

ก่อนที่จะทำความเข้าใจกับแอมพลิฟายเออร์การดำเนินงาน (การคว่ำและไม่กลับทอพอโลยี) เราจำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดหลักข้อเสนอแนะเชิงลบ

ข้อเสนอแนะเชิงลบไม่เพียง แต่เป็นเทคนิคการออกแบบวงจรเท่านั้น แต่ยังเป็นรากฐานที่สำคัญของการบรรลุวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูงและมีความมั่นคงสูงแนวคิดพื้นฐานของการตอบรับเชิงลบคือการเพิ่มตัวต้านทานระหว่างเอาต์พุตและอินพุตแบบกลับด้านเพื่อสร้างระบบควบคุมวงปิด

แอมป์ OP สามารถให้กำไรแบบเปิดโล่งที่สูงมากโดยไม่มีข้อเสนอแนะเชิงลบ แต่กำไรสูงดังกล่าวมักจะมาพร้อมกับความยากลำบากในการควบคุมและความมั่นคงที่ไม่ดี

ด้วยการแนะนำตัวต้านทานข้อเสนอแนะระหว่างเอาต์พุตและอินพุตแบบกลับด้านส่วนหนึ่งของสัญญาณเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์คือ "ข้อเสนอแนะ" กลับไปที่อินพุตวิธีนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเลือกตัวต้านทานข้อเสนอแนะ: ค่าของตัวต้านทานข้อเสนอแนะส่งผลโดยตรงต่อการได้รับวงปิดการเลือกค่าตัวต้านทานที่เหมาะสมเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุผลกำไรและประสิทธิภาพที่ต้องการ

ความสัมพันธ์ระหว่างกำไรวงปิดและแบนด์วิดท์: การแลกเปลี่ยนระหว่างกำไรและแบนด์วิดท์จะต้องได้รับการพิจารณาในระหว่างการออกแบบการเพิ่มอัตราขยายวงปิดมักส่งผลให้แบนด์วิดท์ลดลง

ความมั่นคงและการบิดเบือน: ข้อเสนอแนะเชิงลบที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงความเสถียรของวงจรและลดการบิดเบือนสัญญาณได้อย่างมีนัยสำคัญ

การคำนวณที่แม่นยำของเครือข่ายข้อเสนอแนะ: โดยการคำนวณพารามิเตอร์ของตัวต้านทานข้อเสนอแนะอย่างแม่นยำและส่วนประกอบวงจรอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องประสิทธิภาพของเครื่องขยายเสียงเช่นเชิงเส้นระดับเสียงและการตอบสนองความถี่สามารถปรับให้เหมาะสมได้

ใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์คุณภาพสูง: การเลือกตัวต้านทานที่มีความแม่นยำสูงเสียงรบกวนต่ำและส่วนประกอบอื่น ๆ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของวงจร

ข้อเสนอแนะเชิงลบช่วยให้เสถียรภาพที่ดีขึ้นและการควบคุมที่ดีขึ้นโดยการเสียสละส่วนขยายของวงเปิด

นอกจากนี้ยังช่วยลดความผันผวนของประสิทธิภาพของวงจรที่เกิดจากปัจจัยภายนอกเช่นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความไม่แน่นอนของแหล่งจ่ายไฟ

ข้อเสนอแนะเชิงลบเป็นเทคโนโลยีสำคัญในการออกแบบเครื่องขยายเสียงมันได้รับความเสถียรและการควบคุมได้ผ่านการควบคุมวงปิดอย่างละเอียดซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมและความน่าเชื่อถือของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับหลักการทำงานและการประยุกต์ใช้ข้อเสนอแนะเชิงลบนักออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์สามารถออกแบบระบบวงจรที่แม่นยำและมีเสถียรภาพมากขึ้น

ในโทโพโลยีของแอมพลิฟายเออร์แบบคว่ำแกนหลักของวงจรคือแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการซึ่งอินพุตอินเวอร์ตี้จะได้รับสัญญาณตอบรับเชิงลบจากเอาต์พุตผ่านตัวต้านทาน RFลักษณะของทอพอโลยีนี้คือเมื่อแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วอินพุตกลับด้านจะลดลงซึ่งจะช่วยลดการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทและสร้างความคิดเห็นเชิงลบ

ในโลกอุดมคติเราคิดว่าไม่มีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเทอร์มินัลอินพุตของ op-amp นั่นคือเทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านและไม่กลับด้านจะอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าเดียวกันสถานะนี้เรียกว่า "ลัดวงจรเสมือนจริง"

เนื่องจากเทอร์มินัลอินพุตที่ไม่กลับด้านเชื่อมต่อโดยตรงกับพื้นดิน (แรงดันไฟฟ้าคือ 0V) เทอร์มินัลอินพุตแบบกลับด้านจะต้องถูกเก็บไว้ที่ 0V เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขการลัดวงจรเสมือนจริง

ในหมู่พวกเขา (0 - vin)/r1 หมายถึงกระแสจากเทอร์มินัลอินพุตไปยังเทอร์มินัลคว่ำและ (0 - vout)/rf หมายถึงกระแสจากเทอร์มินัลเอาต์พุตไปยังเทอร์มินัลคว่ำ

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าขนาดของอัตราขยายถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของ RF และ R1 และเนื่องจากเครื่องหมายลบสัญญาณเอาต์พุตจะออกจากเฟส (180 องศาจากเฟส) ด้วยสัญญาณอินพุต

ความต้านทานอินพุตถูกกำหนดโดยตัวต้านทานอินพุต R1 ในแอมพลิฟายเออร์คว่ำสิ่งนี้ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับความต้านทานเอาต์พุตของแหล่งสัญญาณอินพุตสำหรับการจับคู่ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพ

การตอบสนองความถี่สิ่งสำคัญพบข้อ จำกัด เนื่องจากข้อ จำกัด แบนด์วิดท์ของ OP AMPสิ่งนี้นำไปสู่การกระทำที่สมดุลระหว่างกำไรและแบนด์วิดท์ซึ่งจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างพิถีพิถันเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะในมือ

เสียงรบกวนและความเสถียรมีผลต่อประสิทธิภาพของวงจรอย่างมีนัยสำคัญโปรไฟล์เสียงของวงจรที่มีรูปร่างโดยตัวต้านทานและแอมป์ OP อาจเป็นแหล่งที่มาของความกังวลแต่นี่ไม่ใช่ความท้าทายที่ผ่านไม่ได้ด้วยการเลือกส่วนประกอบที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและใช้เค้าโครงวงจรที่รอบคอบปัญหาเหล่านี้สามารถบรรเทาได้อย่างมาก

สำหรับโทโพโลยีแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับรายการหลักการพื้นฐานคือการเชื่อมต่อสัญญาณอินพุตกับอินพุตที่ไม่ได้กลับด้านของแอมพลิฟายเออร์การทำงานและในเวลาเดียวกันใช้ตัวต้านทานข้อเสนอแนะ (RF) เพื่อเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลที่ไม่ได้กลับรายการการควบคุมวงปิดในสถานะอุดมคติจะสันนิษฐานว่าแรงดันไฟฟ้าที่เทอร์มินัลอินพุตที่ไม่ได้กลับรายการและเทอร์มินัลอินพุตแบบกลับด้าน (อินพุตกลับด้าน) ของแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการมีค่าเท่ากันนั่นคือพวกเขาเป็นศูนย์แรงดันไฟฟ้าในสถานะที่ไม่มีสัญญาณในกรณีนี้แรงดันไฟฟ้าที่อินพุตที่ไม่ได้กลับด้านเท่ากับแรงดันสัญญาณอินพุต (VIN) เนื่องจากเชื่อมต่อโดยตรงกับสัญญาณอินพุต

การใช้กฎหมายปัจจุบันของ Kirchhoff (KCL) กับเทอร์มินัลคว่ำสามารถสร้างสมการโหนดได้สมการนี้คำนึงถึงผลรวมของกระแสที่ไหลเข้าสู่เทอร์มินัลคว่ำซึ่งจะต้องเป็นศูนย์ (ซึ่งสามารถละเว้นได้โดยพิจารณากระแสอินพุตขนาดเล็กมากของ op-amp)

ที่นี่ (VIN - VOUT)/RF เป็นกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานข้อเสนอแนะไปยังเทอร์มินัลแบบกลับด้านและ (VIN - 0)/R1 เป็นกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานอินพุตไปยังเทอร์มินัลกลับด้าน

สูตรนี้แสดงให้เห็นว่าการได้รับแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับด้านถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของตัวต้านทานข้อเสนอแนะต่อตัวต้านทานอินพุตและการได้รับอย่างน้อย 1 (เช่นเมื่อ RF = 0)

การจับคู่ความต้านทาน: เพื่อปรับปรุงความเสถียรของวงจรและลดการบิดเบือนสัญญาณการจับคู่ของความต้านทานเอาต์พุตของแหล่งสัญญาณอินพุตและความต้านทานอินพุตของเครื่องขยายเสียงควรได้รับการพิจารณา

การตอบสนองความถี่: เนื่องจากข้อ จำกัด ของแบนด์วิดท์ของ op-amp การตอบสนองความถี่ของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับด้านอาจลดลงเมื่อกำไรเพิ่มขึ้นการออกแบบควรพิจารณาเลือกโมเดล OP AMP ที่เหมาะสมและการปรับพารามิเตอร์วงจรเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน

เสียงรบกวนและความเสถียร: สัญญาณรบกวนตัวต้านทานและเสียงภายใน op-amp ทั้งสองส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับรายการควรเลือกตัวต้านทานเสียงรบกวนต่ำและแอมป์ OP ในระหว่างการออกแบบและควรใช้กลยุทธ์การกำหนดเส้นทางและสายดินที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความเสถียรโดยรวมและการปฏิเสธเสียงรบกวนของวงจร

ด้วยการเจาะลึกลงไปในความแตกต่างของข้อเสนอแนะเชิงลบแอมพลิฟายเออร์แบบคว่ำและทอพอโลยีของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับรายการเราจะได้รับการชื่นชมบทบาทที่สำคัญยิ่งขึ้นในขอบเขตของการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยก่อนอื่นให้หันมาให้ความสนใจกับประโยชน์ของข้อเสนอแนะเชิงลบมันเป็นตัวเปลี่ยนเกม: ข้อเสนอแนะเชิงลบโดยพื้นฐานทำให้ทั้งเสถียรภาพและความแม่นยำในวงจรโดยการลดลงยกตัวอย่างเช่นแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการที่นี่ข้อเสนอแนะเชิงลบเป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพลดความต้านทานเอาต์พุตอย่างมากในขณะเดียวกันก็เพิ่มความต้านทานอินพุตการกระทำคู่นี้ปรับแต่งลักษณะการตอบสนองของวงจรการเพิ่มประสิทธิภาพนี้เป็นสองเท่า: ไม่เพียง แต่ยกระดับประสิทธิภาพของวงจร แต่ยังช่วยลดผลกระทบของความผันผวนของอุณหภูมิและความสูงของอุปกรณ์ที่มีต่อประสิทธิภาพของวงจร

ตอนนี้เรามานำทางความซับซ้อนของทอพอโลยีของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านแอมพลิฟายเออร์แบบกลับด้านซึ่งเป็นที่รู้จักกันในการกลับกันเฟส 180 องศาระหว่างสัญญาณอินพุตและสัญญาณเอาต์พุตเป็นส่วนสำคัญของระบบเสียงและการประมวลผลสัญญาณใช้แอมพลิฟายเออร์เสียงเป็นตัวอย่างแอมพลิฟายเออร์แบบกลับด้านเป็นเครื่องมือในการส่งสัญญาณเอาท์พุทที่ไม่มีการบิดเบือนที่เก่าแก่ซึ่งจะยกระดับคุณภาพเสียงในทางกลับกันแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่ได้กลับรายการมีบทบาทสำคัญในการเก็บข้อมูลและอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ด้วยอินพุตและเอาต์พุตที่จัดตำแหน่งเฟสพวกเขาเก่งในการตัดเส้นทางสัญญาณและลดการรบกวนเสียงรบกวนซึ่งในทางกลับกันจะขยายอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบ

ในสาระสำคัญความรู้พื้นฐานของการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์นี้ไม่เพียง แต่ทำให้เราเข้าใจหลักการวงจรลึกซึ้งยิ่งขึ้นมันสร้างแพลตฟอร์มที่แข็งแกร่งสำหรับการสร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพเสียงต่ำและปรับได้ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับแนวคิดเหล่านี้ช่วยให้นักออกแบบอิเล็กทรอนิกส์มีผืนผ้าใบที่กว้างใหญ่สำหรับนวัตกรรมทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์