Едно от основните приложения на операционния усилвател е сумиращ усилвател или суматор. Когато входният импеданс на операционния усилвател е огромен, над един входен сигнал се предоставя на инвертиращия усилвател, за да добави дадения сигнал към изхода, известен като сумиращ усилвател. Това е схема на операционен усилвател, където различни входни сигнали за напрежение се добавят към инвертиращ усилвател в едно изходно напрежение. И така, тази верига се класифицира в два типа въз основа на знака на изхода; инвертиращ сумиращ усилвател и неинвертиращ сумиращ усилвател. Тази статия предоставя кратка информация за инвертиращ сумиращ усилвател , работата му и приложенията му.
Какво е инвертиращ сумиращ усилвател?
Инвертиращият сумиращ усилвател е една от основните конфигурации на операционни усилватели, при които входните сигнали се сумират и инвертират на изхода. Този усилвател обръща фазата или полярността на изходния сигнал в сравнение с входния сигнал. В тази конфигурация на усилвателя инвертиращият вход на операционния усилвател получава входното напрежение, а неинвертиращият вход е свързан към GND. По този начин усилването на този усилвател може да се контролира чрез избора на резистора за обратна връзка и стойностите на входния резистор.
Роля на Op-Amp в сумиращ усилвател:
В схемата на сумиращия усилвател, операционният усилвател или операционен усилвател играе ключова роля. Разбирането на операционния усилвател ще определи поведението на сумиращия усилвател. Операционният усилвател е усилвател на напрежение с голям коефициент на усилване, включващ диференциален вход и еднопосочен изход. Изходното напрежение в операционния усилвател е пропорционално на изменението в рамките на двете входни напрежения.
Операционният усилвател в сумиращ усилвател се използва в два различни режима; режим на повторител на напрежението и инверторен режим.
- В режим на следене на напрежението изходното напрежение на операционния усилвател възпроизвежда входното напрежение, за да направи операционния усилвател идеален главно за буфериране на сигнала.
- В инверторен режим изходното напрежение на операционния усилвател може да бъде усилено и обърнато към входното напрежение.
Функционирането на сумиращия усилвател е изключително зависимо от конфигурацията на операционния усилвател. Така че работата на операционния усилвател в сумиращия усилвател осигурява прецизно, усилено и потенциално обърнато изчисление на входните напрежения, предоставени на сумиращия усилвател.
Инвертиращ сумиращ усилвател работи
Този инвертиращ сумиращ усилвател работи чрез обръщане на полярността (или) фазата на o/p сигнала на усилвателя за i/p сигнала. И така, входният сигнал на този усилвател се подава към инвертиращия вход, а неинвертиращият вход се подава към заземяващата клема. Усиленият изходен сигнал, който може да бъде генериран, винаги е извън фазата на 180° спрямо входа. Положителен вход на този усилвател дава отрицателен изход и обратно. Усилването на този усилвател може да се контролира чрез избиране на стойностите на резистора за обратна връзка и входния резистор. Ан инвертиращ сумиращ изход на усилвателя напрежението може да се изрази като:
Vout = -(Rf/R1)*Vin + -(Rf/R2)*Vin2+…+-(Rf/Rn)*Vinputn
The печалба на инвертиращ сумиращ усилвател е Gain (Av) = Vout/Vin = -Rf/Rin
Тук е важно да се отбележи, че сумиращият усилвател на операционния усилвател може също да бъде проектиран чрез неинвертираща конфигурация. Но основната разлика между инвертиращия и неинвертиращия сумиращ усилвател е входът импеданс . Инвертиращият сумиращ усилвател има по-малък входен импеданс в сравнение с неинвертиращия сумиращ усилвател поради мрежата за обратна връзка. Така че входните сигнали на този усилвател могат да бъдат усилени въз основа на резисторите, свързани към операционния усилвател, и сумата от усилените входни сигнали може да бъде обърната и да се види в операционния усилвател.
Инвертираща сумираща усилвателна верига
Инвертиращият сумиращ усилвател е разширена версия на дизайна на инвертиращия усилвател, което означава, че няколко входа са осигурени към инвертиращия терминал на операционния усилвател, докато неинвертиращият терминал е свързан към GND. Схемата на инвертиращия сумиращ усилвател е показана по-долу. Тази схема има няколко входни напрежения, които са свързани към инвертиращия входен терминал на усилвателя и изходът ще бъде количеството на всички приложени входни напрежения, но обърнати.
В горната схема, когато неинвертиращият терминал е свързан към GND, инвертиращият терминал е на виртуално GND. По този начин инвертиращият входен възел ще се превърне в идеален възел главно за сумиране на i/p токовете.
Обръщане на уравнението на сумиращия усилвател
Инвертиращият сумиращ усилвател, използващ операционен усилвател, е показан по-долу. В тази схема всички добавени входни сигнали могат да бъдат подавани към инвертиращия входен терминал. И така, веригата с два входа
В горната схема неинвертиращият терминал или точка B е заземен, поради концепцията за виртуално GND, възел-A може също да бъде с виртуален GND потенциал.
VA = VB = 0 —— (I)
От входната страна на тази верига;
I1 = V1-VA/R1 = V1/R1 —— (ii)
I2 = V2-VA/R2 = V2/ R2 —— (iii)
Прилагане на възел-A и ток на входа на операционния усилвател е нула.
I = I1 + I2—— (iv)
От изхода на усилвателя,
I = VA-Vo/Rf = -Vo/Rf————– (v)
Заместете ii, iii уравнения в iv.
-Vo/Rf = V1/R1 + V2/R2.
Vo = -Rf (V1/R1 + V2/R2).
Vo = – ((Rf /R1) V1 + (Rf /R2) V2).
Ако трите съпротивления R1, R2 & Rf са равни, тогава R1= R2 = Rf, така че горното уравнение ще стане като;
Vo = – (V1 + V2)………(Vi)
Избирайки правилно R1, R2 & Rf, можем да получим претеглено добавяне на входните сигнали като; aV1 + bV2, което е показано от уравнението Vi. Всъщност по такъв начин се добавят „n“ входни напрежения.
Следователно, величината на изходното напрежение е количеството на входните напрежения и по този начин тази верига е известна като суматор или лятна верига. На изхода, поради отрицателната индикация на сумата, той е известен като инвертиращ сумиращ усилвател.
Как да извлечем трансферната функция на инвертиращия сумиращ усилвател
Този усилвател добавя входните сигнали и обръща изхода. Входните сигнали в този усилвател се добавят с тяхното усилване. Следващата схема показва инвертиращия сумиращ усилвател, включващ два входа. Трансферната функция на този усилвател е показана по-долу.
Vout = -[V1(Rf/R1)+V2(Rf/R2)]
Използвайки теорема за суперпозиция , нека започнем, като направим входа на V2 нула, както е показано на следващата фигура. Основното тук е да се разбере, че нивото на напрежението на инвертиращия вход на операционния усилвател е нула волта, тъй като неинвертиращият вход е свързан към GND.
Този операционен усилвател ще настрои нивото на o/p на напрежение, което довежда неговия инвертиращ вход до подобен диапазон на неинвертиращия вход. Така че това се дължи на много високото диференциално усилване на този операционен усилвател като 100 000. Ако o/p е няколко волта (5V), диференциалното напрежение на входа на операционния усилвател трябва да бъде
Vd = 5V/100 000 = 50uV.
Инвертиращият и неинвертиращият вход се разглеждат при подобен потенциал с няколко микроволта между входовете на операционния усилвател. Виртуалното GND в рамките на инвертиращия вход помага при определяне на спада на напрежението на резистора за обратна връзка „Rf“. Тъй като инвертиращият вход е 0 V, спадът на напрежението над Rf е подобен на Vout. По този начин токът през Rf, If може да бъде написан като;
Ако = Vout/Rf
Потокът от ток през резистора R1 е ток „I1“ и може да бъде написан като следното уравнение.
I1=V1/R1
Операционният усилвател е идеален
Операционният усилвател може да се счита за идеален, така че входният ток на отклонение „Ib“ е много близо до нула. В допълнение, резисторът „R2“ е свързан с един крак към GND, докато другият крак е свързан към виртуален GND възел. Потокът от ток през резистора 'R2' е много близо до нула. Тук текущият закон на Кирхоф казва, че сумата от всички токове в рамките на възел е нула, така че можем да напишем, че
Ако + I1 + I2 + Ib = 0
След замяна на „Ако“ и I1,
Vout/Rf = -V1/R1 или -V1 (Rf/R1)
Горното уравнение изглежда подобно на трансферната функция на операционния усилвател в инвертираща конфигурация. Усилвателят, включващ V1 в своя i/p, е обикновен инвертор, тъй като потокът от ток през „R2“ е нула.
В следните условия на теоремата за суперпозиция ние съхраняваме „V2“ и правим „V1“ нула. Следните подобни идеи като за „V1“, o/p напрежението Vout2 винаги, когато има само „V2“ във входния усилвател е;
Vout2 = -V2 (Rf/R1)
Трансферна функция:
Чрез добавяне на двете o/p напрежения, T.F на инвертиращия сумиращ усилвател
Vout = Vout1 + Vout2
Vout = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2)]
Трансферната функция на този усилвател с „n“ входни сигнали е
Vout = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2) +…+ Vn (Rf/Rn)]
Пример1:
Да приемем стойностите на резисторите за инвертиращ сумиращ усилвател Rf = 100 KOhms, R1 = 10 KOhms & R2 = 10 KOhms. Входните аудио сигнали на този усилвател са Vinput1 = 1V и Vinput2 = 2V, така че изчислете Vout за този усилвател.
Знаем, че Rf = 100 KOhms, R1 = 10 KOhms & R2 = 10 KOhms.
Vinput1 = 1V & Vinput2 = 2V
Ако заместим тези стойности в уравнението на сумиращия усилвател, можем да получим;
Vout = – (Rf/R1) * Vinput1 – (Rf/R2) * Vinput2
= – (100/10) * 1 – (100/10) * 2
= – (10) * 1 – (10) * 2 = – 10 * – 20 = -30V.
Изходното напрежение е -30 волта, което е усилено и сумирано от входните сигнали след регулиране на стойностите на съпротивлението. Различни фактори променят изхода на усилвател като; усилване на честотната лента, захранване с напрежение и ефекти на натоварване. Въпреки това, горният пример за сумиращ усилвател дава представа за фундаменталната аритметика и взаимодействие на компонентите, които управляват този усилвател. Процесът на сумиране и усилване на сигнали може да бъде увеличен, за да включва различни сигнали съвместно.
Пример2:
Какво ще бъде изходното напрежение за следната схема на сумиращ усилвател, ако три аудио сигнала управляват този усилвател?
За всеки канал в горната верига усилването на напрежението в затворена верига може да бъде измерено като;
ACL1 = – (Rf / R1) => – (100 килоома / 20 килоома) => – 5 килоома.
ACL2 = – (Rf / R2) => – (100 килоома / 10 килоома) => ACL2 = – 10 килоома.
ACL3 = – (Rf / R3) => – (100 килоома / 50 килоома) => ACL3 = – 2 килоома.
O/p напрежението за този сумиращ усилвател може да бъде дадено като;
VOUT => (ACL1 V1 + ACL2 V1 + ACL3 V1)
= – [(5 * 100 mVolts) + (10 * 200 mVolts) + (2 * 300 mVolts)]
= – (0,5 волта + 2 волта + 0,6 волта) => – 3,1 волта.
Предимства недостатъци
The предимства на инвертиране на сумиращ усилвател включват следното.
- Точката на сумиране в този усилвател е практически при земния потенциал и по този начин настройките, както и сигналите от всеки различен канал не си влияят един на друг. По този начин всеки канал се смесва или сумира отделно от нивото на сигнала и т.н.
- Този усилвател позволява на аудио експертите да обединяват сигнали от различни канали и да ги възпроизвеждат в единствена песен. Всеки отделен аудио вход се конфигурира отделно, без да се нарушава изхода.
Този вид усилвател дава изолация между отделните входове и изходи поради своята виртуална GND в възела.
The недостатъци на инвертиране на сумиращ усилвател включват следното.
- Основният недостатък на инвертиращия сумиращ усилвател е, че той има доста по-ниско усилване в сравнение с неинвертиращ тип .
- Този усилвател е чувствителен към шум, така че влошава съотношението S/N и намалява прецизността на изходния сигнал.
- Изчисляването на този усилвател става сложно, когато броят на входовете се увеличи.
- Обръщането на сумата в този усилвател може да не е желателно в някои случаи.
Приложения
The приложения на инвертиращи сумиращи усилватели включват следното.
- Обръщането на сумиращия усилвател помага за обръщане на полярността (или) фазата на o/p сигнала на усилвателя с входния сигнал.
- Това е много специализирана конфигурация на усилвател, където входните сигнали се сумират и инвертират на изхода.
- Този тип сумиращ усилвател се използва за добавяне на сигнали.
- Този усилвател се използва за добавяне на различни сигнали с еквивалентни печалби в аудио миксера.
- Този сумиращ усилвател се използва за прилагане на DC компенсиращо напрежение чрез AC сигнално напрежение.
- Той може също да работи като изваждане, като просто осигурява o/p напрежение, което е еквивалентно на вариацията на две напрежения.
По този начин, това е общ преглед на инвертиращ усилвател, схеми, работа, извеждане, предимства, недостатъци и приложения. Основната функция на този усилвател е да инвертира фазата на o/p сигнала. Тези усилватели имат нисък изходен импеданс, висок входен импеданс и много гъвкави стойности на веригата, които могат лесно да се регулират, за да се справят с усилването на всеки входен сигнал.
Операционният усилвател в сумирането веригата на усилвателя определя неговото поведение. Операционният усилвател в този усилвател работи в режим на повторител на напрежението или инверторен режим. Уравнението на този усилвател просто показва напрежението o/p, което е относително към входните напрежения, както и към резисторите във веригата. Тези сумиращи усилватели се използват в различни практически приложения като; аудио миксери, където различните входни сигнали се обединяват в един изход. Ето един въпрос към вас, какво е неинвертиращ сумиращ усилвател?
