작동 증폭기 : 반전 대 비 반전 토폴로지
작동 증폭기는 핵심에서 고성능 전압 증폭기이며, 무수한 전자 시스템에 필수적인 전압 증폭기입니다.이 장치는 인덕터, 커패시터 및 저항기를 활용하는 설계 철학을 자극합니다.이러한 구성 요소는 복잡한 피드백 메커니즘을 통해 정교함, 전압 게인을 조율하는 춤에 얽혀 있습니다.일반적으로, OP-AMP는 3 개의 기본 터미널, 즉 반전 입력, 비 반전 입력 및 출력으로 증류됩니다.이 터미널의 복잡한 춤은 앰프의 성능 및 응용 범위를 지시합니다.
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이상적인 시나리오에서 OP AMP는 완벽의 파라곤이며, 두 입력에서 무한 저항과 같은 속성을 자랑합니다.입력, 출력 저항, 무한한 오픈 루프 게인, 무한 대역폭 및 무시할만한 오프셋에 걸쳐 균일 한 전압을 보장합니다.그러나 운영 앰프의 영역을 탐구하기 전에 부정적인 피드백의 본질을 이해해야합니다.이 개념은 단지 회로 설계의 기둥이 아닙니다.고성능의 안정적인 전자 회로의 초석입니다.
우리의 기사는 부정적인 피드백의 뉘앙스, 설계 고려 사항 및 최적화를 통해 회로 성능 향상을 풀는 것을 목표로합니다.다음 줄은 두 개의 중추적 인 작동 증폭기 토폴로지의 세심한 해부입니다 : 반전 및 비 반전 증폭기.우리는 회로 설계의 원리, 계산 방법 및 중추적 요소를 탐구합니다.이 깊은 다이빙은 이러한 증폭기 토폴로지가 실제 응용 분야에서 정밀 제어 및 확고한 안정성을 어떻게 촉진하는지에 대한 파노라마 전망을 제공합니다.
부정적인 피드백의 개념과 적용
작동 증폭기 (반전 및 비 반전 토폴로지)를 이해하기 전에 핵심 개념 인 부정적인 피드백을 이해해야합니다.
부정적인 피드백은 회로 설계 기술 일뿐 만 아니라 고성능 고정성 전자 회로를 달성하는 초석이기도합니다.부정적인 피드백의 기본 개념은 출력과 거꾸로 입력 사이에 저항을 추가하여 폐 루프 제어 시스템을 생성하는 것입니다.
부정적인 피드백의 작동 원리에 대한 자세한 설명
OP AMP는 부정적인 피드백없이 매우 높은 오픈 루프 이득을 제공 할 수 있지만, 이러한 높은 이익은 종종 제어 어려움과 안정성이 낮습니다.
출력과 반전 입력 사이에 피드백 저항을 도입함으로써 앰프의 출력 신호의 일부는 "피드백"으로 입력으로 되돌아갑니다.이 방법은 효과적으로 일부 이득을 "확산 시키"하여 증폭기의 전체 게인을 제어합니다.
부정적인 피드백을위한 설계 고려 사항
피드백 저항 선택 : 피드백 저항의 값은 폐 루프 게인에 직접적인 영향을 미칩니다.원하는 이득과 성능을 달성하는 데 적절한 저항 값을 선택하는 것이 중요합니다.
폐 루프 게인과 대역폭의 관계 : 게인과 대역폭 사이의 절충은 설계 중에 고려해야합니다.폐 루프 이득을 증가 시키면 일반적으로 대역폭이 줄어 듭니다.
안정성 및 왜곡 :
적절한 부정적인 피드백은 회로의 안정성을 크게 향상시키고 신호 왜곡을 줄일 수 있습니다.
부정적인 피드백을 최적화하는 방법
피드백 네트워크의 정확한 계산 : 피드백 저항 및 기타 관련 회로 구성 요소의 매개 변수를 정확하게 계산하여 선형성, 노이즈 레벨 및 주파수 응답과 같은 앰프 성능을 최적화 할 수 있습니다.
고품질 전자 구성 요소를 사용하십시오. 고정밀, 저음 저항 및 기타 구성 요소를 선택하면 회로의 전반적인 성능이 향상 될 수 있습니다.
회로 성능에 대한 부정적인 피드백의 영향
부정적인 피드백은 일부 오픈 루프 게인을 희생하여 안정성과 더 나은 제어를 가능하게합니다.
또한 온도 변화 및 전원 공급 불안정성과 같은 외부 요인으로 인한 회로 성능 변동을 줄이는 데 도움이됩니다.
부정적인 피드백은 운영 앰프 설계의 핵심 기술입니다.미세한 폐 루프 제어를 통해 안정성과 제어 성을 달성하여 전자 회로의 전반적인 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 중요합니다.전자 회로 설계자는 부정적인 피드백의 작업 원리와 응용 분야에 대한 더 깊은 이해를 얻음으로써보다 정확하고 안정적인 회로 시스템을 설계 할 수 있습니다.
반전 증폭기 토폴로지 원리 및 계산
반전 증폭기 토폴로지에서 회로의 핵심은 작동 증폭기이며, 거꾸로 입력은 저항 RF를 통한 출력으로부터 음의 피드백 신호를 수신합니다.이 토폴로지의 특징은 출력 전압이 증가하면 반전 입력 단자의 전압이 감소하여 출력 전압의 증가를 감소시키고 음성 피드백을 형성한다는 것입니다.
가상 단락 상태에 대한 심층 분석
이상적인 세상에서, 우리는 OP-AMP의 입력 단자 사이에 전압 차이가 없다고 가정합니다.이 상태를 "가상 단락"이라고합니다.
그림 1 : 거꾸로 앰프 토폴로지
비 반전 입력 단자는지면에 직접 연결되기 때문에 (전압은 0V), 가상 단락 조건을 만족시키기 위해 반전 입력 단자도 0V로 유지해야합니다.
방지 노드 분석에 대한 자세한 설명
Kirchhoff의 현재 법 (KCL)을 거꾸로 터미널에 적용하면 다음 방정식을 도출 할 수 있습니다.
(0- vin) / r1 + (0 - vout) / rf = 0
그중, (0 -Vin)/r1은 입력 단자에서 반전 단자로의 전류를 나타내고 (0 -vout)/rf는 출력 단자에서 반전 단자로의 전류를 나타냅니다.
반전 게인 계산에 대한 심층적 인 이해
상기 방정식을 단순화함으로써 게인의 발현 (vout/vin)을 얻을 수 있습니다.
VOUT / RF = - VIN / R1
vout / vin = - rf / r1
이는 게인의 크기가 RF와 R1의 비율에 의해 결정되고, 음수 부호로 인해 출력 신호가 입력 신호와 위상 (180도) 이외의 것으로 나타났습니다.
회로 설계 고려 사항
입력 임피던스는 거꾸로 앰프의 입력 저항 R1에 의해 주로 정의됩니다.이를 위해서는 효과적인 임피던스 매칭을 위해 입력 신호 소스의 출력 임피던스를 신중하게 고려해야합니다.
주파수 응답, 중요한 측면은 OP AMP의 고유 대역폭 제약으로 인해 한계가 발생합니다.이로 인해 게인과 대역폭 사이의 미묘한 균형 균형 행위가 발생하며, 이는 특정 응용 프로그램에 맞게 세 심하게 최적화되어야합니다.
노이즈 및 안정성은 회로 성능에 크게 영향을 미칩니다.저항 및 OP 앰프로 형성된 회로의 노이즈 프로파일은 관심의 원인이 될 수 있습니다.그러나 이것은 극복 할 수없는 도전이 아닙니다.낮은 잡음 구성 요소를 선택하고 사려 깊은 회로 레이아웃을 사용함으로써 이러한 문제는 실질적으로 완화 될 수 있습니다.
비 반전 증폭기 토폴로지 원리 및 계산
비 반전 증폭기 토폴로지의 경우 기본 원칙은 입력 신호를 작동 증폭기의 비 반전 입력에 연결하는 것입니다. 동시에 RF (피드백 저항)을 사용하여 비 반전 단말기에 연결하여 형성합니다.폐 루프 제어.이상적인 상태에서, 비 반전 입력 터미널의 전압 및 작동 증폭기의 역 입력 터미널 (반전 입력)은 동일하다고 가정합니다.이 경우, 비 반전 입력의 전압은 입력 신호에 직접 연결되기 때문에 입력 신호 전압 (VIN)과 동일합니다.
그림 2 : 비 반전 증폭기 토폴로지
내부 노드 방정식의 심층 분석
Kirchhoff의 현재 법칙 (KCL)을 거꾸로 터미널에 적용하면 노드 방정식을 설정할 수 있습니다.이 방정식은 거꾸로 터미널로 흐르는 전류의 합을 고려하며, 이는 0이어야합니다 (OP-AMP의 매우 작은 입력 전류를 고려하여 무시할 수 있음).
노드 방정식은 다음과 같습니다.
(vin - vout) / rf + (vin - 0) / r1 = 0
여기, (vin -vout)/rf는 피드백 저항을 통해 거꾸로 된 터미널로 흐르는 전류이며, (vin -0)/r1은 입력 저항을 통해 거꾸로 된 터미널로 흐르는 전류입니다.
비 반전 게인 계산에 대한 심층적 인 이해
위의 노드 방정식을 재 배열하여 출력 전압 (VOUT)과 입력 전압 (VIN) 간의 관계를 얻을 수 있습니다.
VIN / RF + VIN / R1 = VOUT / RF
추가 단순화 결과 :
VOUT / VIN = 1 + RF / R1
이 공식은 비 반전 증폭기의 게인이 입력 저항에 대한 피드백 저항의 비율에 의해 결정되고 게인이 최소 1 (즉, RF = 0)임을 보여줍니다.
회로 설계 고려 사항
임피던스 매칭 : 회로의 안정성을 향상시키고 신호 왜곡을 줄이기 위해 입력 신호 소스의 출력 임피던스 일치 및 앰프의 입력 임피던스를 고려해야합니다.
주파수 응답 : OP-AMP의 대역폭 제한으로 인해 비 반전 증폭기의 주파수 응답이 증가함에 따라 감소 할 수 있습니다.디자인은 적절한 OP AMP 모델을 선택하고 응용 프로그램 요구 사항을 충족하기 위해 회로 매개 변수 조정을 고려해야합니다.
노이즈 및 안정성 : 저항 소음 및 OP-AMP 내부 노이즈는 모두 비 반전 증폭기 성능에 영향을 미칩니다.설계 중에 저음 저항 및 OP 앰프를 선택해야하며, 회로의 전반적인 안정성 및 노이즈 거부를 향상시키기 위해 적절한 라우팅 및 접지 전략을 사용해야합니다.
결론
부정적인 피드백의 뉘앙스, 반전 증폭기 및 비 반전 증폭기 토폴로지의 뉘앙스를 깊이 파고 들어 현대 전자 회로 설계 영역에서 중추적 인 역할에 대한 풍부한 인식을 얻습니다.먼저 부정적인 피드백의 이점에 우리의 관심을 돌리자.그것은 게임 체인저입니다. 부정적인 피드백은 이득을 줄임으로써 회로의 안정성과 정확성을 근본적으로 강화합니다.예를 들어 작동 증폭기를 고려하십시오.여기서, 부정적인 피드백은 강력한 도구이며, 출력 임피던스를 극적으로 감소시키면서 동시에 입력 임피던스를 향상시킵니다.이 이중 동작은 회로의 응답 특성을 미세 조정합니다.이 향상은 두 가지입니다. 회로 성능을 높일뿐만 아니라 온도 변동과 장치 노화가 회로의 효율성에 미치는 영향을 현저하게 완화시킵니다.
이제 반전 및 비 반전 증폭기 토폴로지의 복잡성을 탐색합시다.입력과 출력 신호 사이의 180도 위상 반전으로 알려진 반전 증폭기는 사운드 시스템 및 신호 처리에 필수적입니다.오디오 앰프를 예로 들어 보겠습니다.반전 증폭기는 깨끗하고 왜곡이없는 출력 신호를 전달하는 데 중요한 역할을하므로 오디오 품질이 높아집니다.반면에 비 반전 증폭기는 위상 조정 입력 및 출력 덕분에 데이터 수집 및 센서 인터페이스에서 중요한 역할을합니다.신호 경로를 잘라 내고 노이즈 간섭을 줄이면 시스템의 신호 대 잡음비를 증폭시킵니다.
본질적으로, 전자 회로 설계에 대한 이러한 기본 지식은 단지 회로 원리에 대한 우리의 이해를 심화시키는 것이 아닙니다.효율적이고 낮은 잡음이며 적응 가능한 전자 시스템을 생성하기위한 강력한 플랫폼을 구축합니다.이러한 개념을 철저히 파악하면 전자 설계자에게 전자 기술의 지속적인 발전을 촉진하여 혁신을위한 방대한 캔버스를 갖추고 있습니다.