Amplificadores operacionales inversores

Introducción

Los amplificadores operacionales se pueden configurar para funcionar como una variedad de circuitos funcionales, incluidos amplificadores, osciladores, reguladores de voltaje, filtros y rectificadores. La mayoría de estas configuraciones requieren que la salida del amplificador operacional se vuelva a conectar a su entrada.

Esta conexión de la salida a la entrada se denomina retroalimentación. Debido a que el amplificador operacional tiene dos terminales de entrada, positivo y negativo, la conexión de retroalimentación del amplificador operacional puede ser positiva o negativa. Si la salida está conectada al terminal no inversor del amplificador operacional, se dice que la retroalimentación es positiva, y si la salida está conectada a la entrada inversora, se dice que la retroalimentación es negativa. La salida se retroalimenta a la entrada del amplificador operacional a través de una resistencia externa llamada resistencia de retroalimentación (R_fLa conexión de retroalimentación proporciona un medio de control preciso de la ganancia del amplificador operacional en función de la aplicación.

Un amplificador inversor es una configuración de circuito importante que utiliza un amplificador operacional y utiliza una conexión de retroalimentación negativa. Un amplificador inversor, como su nombre indica, invierte y amplifica la señal de entrada. Si hay una señal positiva en la entrada del amplificador inversor, una señal negativa fluye a través de la salida, y viceversa. La señal de onda sinusoidal de CA en la entrada produce 180^o Una señal sinusoidal desfasada en la salida.

El diagrama anterior muestra el esquema de un amplificador inversor ideal. La entrada se suministra al terminal de entrada inversor a través de la resistencia R1, y el terminal no inversor está conectado a tierra. La salida se retroalimenta a la entrada inversora a través de la resistencia de retroalimentación R_f.

Cuando se aplica un voltaje positivo a la entrada inversora (la base del transistor Q2), la corriente en el terminal colector de Q2 aumenta y la caída de voltaje a través del RC también aumenta. Este efecto conecta a tierra el terminal de entrada no inversor (la base de Q1), lo que hace que el voltaje de salida baje. La base de Q2 es arrastrada hacia abajo hasta el nivel del suelo por retroalimentación negativa, independientemente del voltaje de entrada aplicado. Por lo tanto, cuando se aplica Vin, el Vout de salida cambia a un nivel que mantiene el terminal de entrada inversor a nivel del suelo. Por esta razón, el terminal de entrada inversor en esta configuración de circuito se denomina tierra virtual. La unión de las resistencias R1 y Rf siempre se mantiene a nivel del suelo porque es tierra virtual. Si ignoramos la pequeña corriente de polarización que fluye a través del circuito del amplificador operacional, la corriente I fluye a través de las resistencias R1 y Rf. Los voltajes de entrada y salida se pueden calcular utilizando las siguientes ecuaciones:

Vin = I.R1

y Vout = -I.Rf

La ganancia de voltaje en bucle cerrado es ACL = Vout/Vin = -I.Rf/I.R1.

Inversión de la ganancia de voltaje del amplificador operacional.

La ganancia de voltaje de bucle cerrado de un amplificador operacional inversor viene dada por:

ACL = Vout / Vin = – (Rf / R1)

Un signo negativo en la ecuación de ganancia de bucle cerrado indica que la salida está invertida con respecto a la entrada aplicada.

En un práctico amplificador inversor, la entrada no inversora no está conectada directamente a tierra. Para mantener la corriente de entrada igual, debe conectarse a tierra con una resistencia del mismo valor que R1. Esto aumenta la probabilidad de que el voltaje de salida sea cero (o cercano a cero) cuando la entrada es de cero voltios.

Nota:

En un circuito amplificador inversor, si Rf = R1 donde ambas resistencias R1 y Rf son de igual magnitud, la ganancia del amplificador inversor es -1, produciendo una salida que es el complemento de la entrada aplicada Vout = – Vin. Este tipo de configuración de amplificador inversor se conoce comúnmente como inversor de ganancia unitaria o simplemente búfer inversor.

Características de voltaje de un amplificador inversor

Las características de voltaje, o curvas de transferencia, del amplificador operacional se muestran en la figura anterior. Si el VIN de la señal de entrada es positivo, el VOUT de salida será negativo y viceversa. Además, la salida cambia linealmente con respecto a la entrada aplicada. La curva característica se satura cuando la amplitud de la señal de entrada excede los suministros positivos y negativos aplicados al amplificador operacional, es decir, la salida se vuelve constante.

es decir, +V_CC = + V_suelo y -V_CC = -V_suelo

Ejemplo de un amplificador operacional inversor

1. Diseñe un amplificador inversor con una ganancia de -10 y una resistencia de entrada de 10 kΩ.

Se dan los valores de ganancia y resistencia de entrada del amplificador.

Para un amplificador inversor, A_CL =- Investigación_f/R₁

Por lo tanto, R_f = -A_CL x R₁

= – (-10) x 10 kΩ

R_f = 100kΩ

2. En el circuito que se muestra a continuación, R1 = 10 kΩ, Rf = 100 kΩ, Vin = 1V. Se conecta una carga de 25 kΩ al terminal de salida. calcular

• Corriente i₁
• Tensión de salida V_fuera
• Corriente de carga i_L

(i) Corriente de entrada i1

i1 = Vin / R1

= 1 V / 10k Ω

i1 = 0,1 mA

(ii) Voltaje de salida Vout

V_fuera = – (R_f /R (R)₁) * V_Y

= – (100 kΩ/10 kΩ) x 1 V

V_fuera = – 10 V

(iii) Corriente de carga iL:

Yo_L =V_fuera /R (R)_L​

= 10 V / 25kΩ

Yo_L = 0,4 mA

Amplificador de transimpedancia

Un amplificador de transimpedancia es un circuito simple que convierte la corriente de entrada en el voltaje correspondiente a la salida, es decir, un convertidor de corriente a voltaje. Los amplificadores de transimpedancia se pueden utilizar para amplificar la salida de corriente de fotodiodos, fotodetectores, acelerómetros y otros tipos de sensores a valores de voltaje utilizables. El amplificador de transimpedancia proporciona baja impedancia al fotodiodo y aísla el fotodiodo del voltaje de salida del amplificador operacional.

Los amplificadores de transimpedancia más simples tienen resistencias de retroalimentación con valores muy grandes. La ganancia del amplificador depende de esta resistencia. Dependiendo de la aplicación, el amplificador de transimpedancia se puede configurar de diferentes maneras. Todas estas configuraciones diferentes convierten la corriente de bajo nivel del sensor en un nivel de voltaje crítico. Los valores de ganancia, ancho de banda y compensación de voltaje/corriente varían según el tipo de sensor.

Funcionamiento de CC

El esquema de un amplificador de transimpedancia básico se muestra en la figura anterior. El fotodiodo está conectado al terminal de entrada inversor. El terminal de entrada no inversor está conectado a tierra. Esto da como resultado una carga de baja impedancia en el fotodiodo y mantiene bajo el voltaje a través del fotodiodo. Debido a la alta ganancia del amplificador operacional, la corriente del fotodiodo se mantiene igual a la corriente de retroalimentación que fluye a través de Rf. En este circuito, el fotodiodo no tiene polarización externa, por lo que el voltaje de compensación de entrada a través del fotodiodo es muy bajo. Esto permite obtener una gran ganancia de voltaje sin un gran voltaje de compensación de salida.

Además

-Yo_p =V_fuera /R (R)_f

es decir, V_fuera /Yo_p = -R_f

La ecuación anterior es la ganancia de CC y la ganancia de baja frecuencia del amplificador de transimpedancia. A altas ganancias, se aplica un voltaje de compensación de entrada a la entrada no inversora del amplificador operacional, lo que da como resultado un voltaje de compensación de salida. Para minimizar estos efectos, los amplificadores de transimpedancia suelen diseñarse con FET en las entradas del amplificador operacional con voltajes de compensación de entrada muy bajos.

La respuesta de frecuencia de un amplificador de transimpedancia es inversamente proporcional a la ganancia establecida por la resistencia de retroalimentación, Rf. Los sensores utilizados en estos amplificadores suelen tener una capacitancia mayor que la que puede manejar el amplificador operacional. La capacitancia entre los terminales de entrada de este amplificador operacional, junto con la capacitancia interna del amplificador operacional, introduce un filtro de paso bajo en la ruta de retroalimentación. La respuesta del filtro de paso bajo de este filtro se puede caracterizar como un coeficiente de retroalimentación β que atenúa la señal de retroalimentación.

Considere el efecto de este filtro de paso bajoLa ecuación de respuesta para el circuito viene dada por:

V_fuera = – (1p. R_f) / {1 + (1/ A_OL^β)}

donde AOL es la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional.

A bajas frecuencias, el coeficiente de retroalimentación β tiene poco efecto en la respuesta del amplificador. La respuesta del amplificador es una ganancia de bucle abierto (A_OL^β) es mucho mayor que la unidad y.

Descripción general de los amplificadores inversores

• El circuito amplificador inversor emplea retroalimentación negativa para producir una salida inversora en relación con la entrada. Por lo tanto, la ganancia del amplificador inversor se muestra como negativa.
• La ganancia de voltaje del amplificador inversor es independiente de la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional, y la ganancia de bucle abierto del amplificador operacional es muy grande.
• Debido a que la ganancia de voltaje del amplificador inversor depende del valor de la resistencia utilizada, la ganancia se puede controlar con precisión seleccionando los valores R1 y Rf apropiados.
• Para RF > R1, la ganancia es mayor que 1.
• Para RF < R1, la ganancia es menor que 1.
• Si Rf = R1, entonces la ganancia es la unidad.
• Por lo tanto, el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada y 180 ° fuera de fase.