Einführung in den nichtinvertierenden Verstärker
Der nichtinvertierende Verstärker ist eine weitere Betriebsart für einen Standardverstärker. Wie wir wissen, haben typische Verstärker zwei Anschlüsse - invertierend und nicht invertierend. Wenn Eingänge über nicht invertierende Anschlüsse versorgt werden, wird diese Betriebsart als nicht invertierender Verstärker bezeichnet.
Nicht invertierende Verstärkertheorie
Das Arbeitsprinzip oder die Theorie hinter dem nichtinvertierenden Verstärker ist dasselbe wie bei einem invertierenden Verstärker, und bei einem nichtinvertierenden Verstärker wird der Eingang im nichtinvertierenden Anschluss bereitgestellt. Der Verstärker verstärkt den Ausgang mit einer bestimmten Verstärkung und gibt ihn in der Produktion. Die Verstärkung ist abhängig von den Widerstandswerten, und das Rückkopplungssystem ist mit dem invertierenden Verstärker verbunden, um eine negative Rückkopplung im System zu erzeugen. Da das System eine negative Rückkopplung aufweist, hat dieser Verstärker eine höhere Stabilität, aber eine geringere Verstärkung als ein invertierender Verstärker mit denselben Widerstandswerten.
Schaltplan des nicht invertierenden Verstärkers
Das folgende Bild zeigt den Schaltplan eines nicht invertierenden Verstärkers. In der folgenden Abbildung ist Vin die Eingangsspannung für den Verstärker, R1 ist der Primärwiderstand, Rf ist der Rückkopplungswiderstand und 'I' ist der Strom durch den Rückkopplungswiderstand. Studieren Sie das Bild sorgfältig, da dieses Bild im gesamten Artikel als nicht invertierendes Verstärkerbild bezeichnet wird.
Nicht invertierendes Verstärkerdesign
Designing a nicht invertierender Verstärker ist eine recht einfache und unkomplizierte Aufgabe. Zu Beginn wird der Operationsverstärker mit seinem positiven und -ve eingestellt. Referenzspannung und Massekontakte werden nach Bedarf hergestellt. Da es sich nun um einen nichtinvertierenden Verstärker handelt, wird die Eingangsspannung am nichtinvertierenden und invertierenden Anschluss über einen Widerstand mit Masse verbunden, und dem invertierenden Verstärker ist ein Standardrückkopplungswiderstand zugeordnet, um -ve bereitzustellen. Rückkopplung in der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung.
Wie funktioniert ein nicht invertierender Verstärker?
Der nichtinvertierende Verstärker verstärkt das am nichtinvertierenden Verstärker bereitgestellte Eingangssignal, und Widerstände im Design des Verstärkers wirken als Verstärkungsfaktor in einer bestimmten mathematischen Gleichung. Aufgrund der virtuellen Erdung erscheint die Spannung des B-Punkts auch am Ende 'A'. Auf diese Weise hat der A-Knoten die gleiche Spannung wie die Eingangsspannung. Wieder fließt der gleiche Strom durch den invertierenden Anschluss wie der des Rückkopplungspfads.
Nicht invertierende Verstärkerableitung
Lassen Sie uns die nicht invertierenden Verstärkergleichungen und andere wesentliche Formeln ableiten. Nehmen Sie zunächst an, dass der virtuelle Kurzschluss für den Verstärker funktioniert.
Dann ist die Spannung am B-Knoten gleich der Spannung am A-Knoten.
Nun ist VB = Vin.
Das Vin erscheint somit auch am A-Knoten. Daher können wir sagen:
VA = Vin.
Nehmen wir an, die Ausgangsspannung ist Vo. Der Rückkopplungswiderstand soll Rf sein. Der Strom durch den Rückkopplungspfad ist 'I'. Das 'Ich' kann wie folgt geschrieben werden.
I = (Vo - VA) / Rf
Oder I = (Vo / Rf) - (VA / Rf) - (1)
Der gleiche Strom fließt durch die invertierende Klemme. Also, die Gleichung für dieses Terminal,
I = (VA - 0) / R1 = VA / R1 = Vin / R1 - (2)
Wenn wir Gleichung (1) und Gleichung (2) gleichsetzen, können wir schreiben:
(Vo / Rf) - (Vin / Rf) = Vin / R1
Oder Vo / Rf = Vin / R1 + (Vin / Rf)
Oder Vo / Rf = Vin [(1 / R1) + (1 / Rf)]
Oder Vo / Rf = Vin [(Rf + R1) / (R1 Rf)]
Oder Vo = Vin [(Rf + R1) / R1]
Oder V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]
Dies ist der endgültige Ausgang des nicht invertierenden Verstärkers.
Nicht invertierende Verstärkergleichung
Die endgültige Ausgangsgleichung der Schaltung ist als nichtinvertierende Verstärkergleichung bekannt. Die Gleichung gibt die Beziehung zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung an. Der Verstärkungsfaktor kann auch in der Gleichung beobachtet werden.
V0 = Vin [1 + (Rf / R1)]
Dies ist die nicht invertierende Verstärkergleichung. Der Rf ist der Rückkopplungswiderstand, R1 ist der Widerstand, der an der invertierenden Klemme angeschlossen ist. Die Werte dieser Widerstände beeinflussen die Eingangsspannung. Wie wir sehen können, haben wir im System gewonnen, wenn der Wert von (Rf / R1) größer als 1 ist. Der (Rf / R1) -Faktor muss also so weit wie möglich erhöht werden. Aber das kann bis zu einem gewissen Grad getan werden.
Nicht invertierender Verstärker Vout
Die vout oder die Ausgangsspannung des nicht invertierenden Verstärkers sagt uns, warum dieser Betriebssatz im Verstärker als nicht invertierender Verstärker bezeichnet wird. Die Ausgangsgleichung des nichtinvertierenden Verstärkers ist gegeben als V0 = Vin [1 + (Rf / R1)].
Aus der obigen Gleichung können wir beobachten, dass sich die Ausgangs- und Eingangsspannung in derselben Betriebsphase befinden. Im Gegensatz zu einem invertierenden Anschluss wird der Ausgang des Verstärkers nicht in die negative Phase invertiert. Aus diesem Grund wird der Operationssatz als nicht invertierender Verstärker bezeichnet.
Nicht invertierende Eingangsimpedanz des Verstärkers
Ein idealer Operationsverstärker hat die Eigenschaft einer hohen Eingangsimpedanz, weshalb jeder Verstärker für höhere Eingangsimpedanzen ausgelegt ist. Nicht invertierende Verstärker sind keine Ausnahmen. Sie zeigen im Betrieb höhere Eingangsimpedanzen.
Verstärkung des nicht invertierenden Verstärkers
Der Ausgang eines Verstärkers ist der Eingang multipliziert mit der Verstärkung. Die Verstärkung der Verstärker hängt von den Widerstandswerten und der Art der Rückkopplung des Verstärkers ab. Für das negative Rückkopplungssystem nimmt die Verstärkung ab und die Stabilität des Systems nimmt zu, und für die positive Rückkopplung ist die Verstärkung höher, aber die Stärke des Systems wird verringert.
Für die Gleichung: Vaus = k * Vin, k ist die Verstärkung des Verstärkers.
(Zu beachtender Punkt: Die Verstärkung ist ein Verhältnis der Ausgangsspannung zur zugeführten Eingangsspannung. Deshalb hat sie keine Einheiten.)
Nicht invertierende Verstärkerverstärkung
Wir haben zuvor diskutiert, was Verstärkung für einen nicht invertierenden Verstärker bedeutet. Lassen Sie uns den genauen Ausdruck für die Verstärkung eines nicht invertierenden Verstärkers herausfinden.
Der allgemeine Ausdruck der Ausgangsspannung des Verstärkers ist Vaus = k * Vin.
Die O / P-Äqun des nichtinvertierenden Verstärkers formuliert als
V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin.
So kann k wie durch den Vergleich der obigen zwei Gleichungen berechnet werden.
k = [1 + (Rf / R1)].
Dieser Ausdruck des Widerstands ist als Verstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers bekannt, und daraus können wir beobachten, dass, wenn Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Die Eingangsspannung wird also um den Faktor 2 verstärkt. Das Verhältnis (Rf / R1) steuert typischerweise die Verstärkung. Das Erhöhen von Rf erhöht den Verstärkungswert.
Nicht invertierende negative Verstärkung des Operationsverstärkers
Eine detaillierte Analyse der Verstärkung von Non-Inverting Operationsverstärker wird vorher gemacht. Die negative Verstärkung des nichtinvertierenden Operationsverstärkers wird als exakte Verstärkung des Verstärkers bezeichnet. Es erhält eine andere Nomenklatur, da der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung versehen ist. Obwohl der Begriff irreführend ist, denken viele Leser, dass er darauf hindeutet, dass ein nicht invertierender Verstärker die negativen Verstärkungsgrößen liefert.
Nicht invertierende Verstärkerübertragungsfunktion
Die Übertragungsfunktion eines Systems bezieht sich auf den Prozess, der die Ausgabe für jede Eingabe beschreibt oder bereitstellt. Da der Verstärker zwei Eingänge nimmt und diese verstärkt, wird die Übertragungsfunktion dieselbe wiedergeben. Die Übertragungsfunktion kann wie folgt geschrieben werden:
Vo = k * Vi
Hier sind Vo und Vi die beiden Eingänge und k ist die Verstärkung.
Nicht invertierendes Verstärker-Steckbrett
Um die Funktionalität eines nicht invertierenden Verstärkers in der Realität zu beobachten und zu untersuchen, müssen wir eine Schaltung unter Verwendung einer Leiterplatte oder eines Steckbretts herstellen. Das Experiment erfordert einige Ausrüstung. Sie sind unten aufgeführt.
- Widerstände von 1 Kiloohm und XNUMX Kiloohm.
- IC741
- Verbindungsdrähte
- CRO
- Brettchen
- Gleichspannungsversorgung
Der Anschluss des Steckbretts ist unten angegeben. Schließen Sie das Gerät richtig an und beobachten Sie die Ausgangswellenform im CRO.
Bandbreite des nicht invertierenden Verstärkers
Bevor Sie sich mit der Bandbreite eines nicht invertierenden Verstärkers vertraut machen, teilen Sie uns die Bandbreite eines Verstärkers mit. Die Bandbreite wird als Frequenzbereich bezeichnet, über den der Verstärker des Verstärkers über 70.7% steigt.
Die Bandbreite eines nicht invertierenden Verstärkers wird bestimmt, indem das Produkt der Verstärkungsbandbreite betrachtet und dann durch die nicht invertierende Verstärkung dividiert wird.
Nicht invertierende Phasenverschiebung des Verstärkers
Typischerweise wird die Phasenverschiebung als Änderung der Größe des Eingangssignals bezeichnet. Es gibt eine Black Box und wir liefern ein Eingangssignal von +5 V. Wenn wir nun -10 V als Ausgang empfangen, gibt es eine Phasenverschiebung innerhalb der Black Box. Gleiches gilt für die Verstärker. Da wir den nicht invertierenden Verstärker mit Eingang versorgen, ändert sich die Phase einer Spannung einer Ausgangsspannung nicht. Wir können also sagen, dass es eine 0 gibto Änderung in der Ausgabe. Für einen invertierenden Anschluss beträgt die Phasenverschiebung -180o.
Nicht invertierende Summierverstärkerverstärkung
Der Summierverstärker liefert die verstärkte Summe der Eingangsspannungen als Ausgang. In der folgenden Schaltung haben wir zwei Eingangsspannungen als V1 und V2 in den nicht invertierenden Anschluss des Verstärkers gegeben, da wir eine nicht invertierende erzeugen möchten Summierverstärker.
Unter Anwendung der Überlagerungstheorie zur Bestimmung der Spannung an Knoten setzen wir die Stromwerte aus dem Rückkopplungszweig und dem invertierenden Anschlusszweig gleich.
Die Ausgangsgleichung lautet: Vout = [1 + (Rf / Ra)] * [(V1 + V2) / 2]
Die nicht invertierende Verstärkung des Summierverstärkers beträgt also [1 + (Rf / Ra)] und dies ist ähnlich wie bei typischen nicht invertierenden Verstärkern.
Anwendung eines nichtinvertierenden Verstärkers Nicht invertierender Verstärker verwendet.
- Eine der bedeutenden Anwendungen von nicht invertierenden Verstärkern besteht darin, eine hohe Eingangsimpedanz anzubieten, und dieser nicht invertierende Operationsverstärker ist dafür sehr effizient.
- Nicht invertierende Operationsverstärker werden verwendet, um zwischen kleinen Schaltkreisen innerhalb eines kaskadierten und komplexen Verlaufs zu unterscheiden.
- Sie werden auch in unterschiedlichen Gewinnbetrachtungen verwendet.
Wofür werden nicht invertierende Verstärker verwendet?
Nicht invertierende Verstärker werden wegen ihrer hohen Impedanzwerte und besseren Stabilitäten aufgrund negativer Rückkopplung und Verstärkung verwendet. Die Eigenschaft eines nicht invertierenden Verstärkers, der am Ausgang Verstärkung oder Widerstand liefert, machte ihn für die Schaltungsdifferenzierung für kaskadierte Systeme berühmt.
Invertierendes vs. nicht invertierendes Verstärkerrauschen
Invertierende Verstärker bieten mehr Rauschverstärkung als nicht invertierende Verstärker. Dies liegt daran, dass die Stromquelle und die Spannungsquelle einen anderen Verstärkungswert als der Ausgang finden. Die Rauschverstärkung ist ein sehr wichtiger Parameter zur Messung der Leistung des Verstärkers.
Nicht invertierender Pufferverstärker
Der nicht invertierende Pufferverstärker oder der Pufferverstärker oder der Puffer-Operationsverstärker ist ein bestimmter Typ eines Operationsverstärkers, der den einzigen Eingang über den nicht invertierenden Verstärker nimmt und eine Einheitsverstärkung liefert. Der invertierende Anschluss ist kurzgeschlossen, wobei der Ausgang eine negative Rückkopplung erzeugt. Solche Verstärker bieten eine hohe Eingangsimpedanz, eine niedrigere Ausgangsimpedanz und ein hohes Stromeinkommen.
Puffer werden für einen Leistungsschalter oder zur Vermeidung der Belastung des Eingangs verwendet.
Nicht invertierender Verstärker mit Kondensator
Ein Kondensator kann mit einem nicht invertierenden Verstärker hinzugefügt werden, um verschiedene Übertragungsfunktionen zu implementieren. Ein Kondensator kann den nicht invertierenden Verstärker zu einem Integrator oder Differenzierer machen.
Mit den Kondensatoren können nicht invertierende Verstärker auch in Wechselstromkopplungsschaltungen oder eine "halbversorgte Schiene" umgewandelt werden.
Nicht invertierender Verstärker mit Referenzspannung
Nicht invertierende Verstärker sind mit Referenzspannungen konfiguriert. Referenzspannungen sind für Operationsverstärker unerlässlich, da sie die Begrenzungsgrenze für die Ausgänge darstellen. Ein Verstärker kann die positive Referenzspannung nicht überschreiten oder die negative Referenzspannung unterschreiten.
Häufig gestellte Fragen
1. Wofür wird ein nicht invertierender Verstärker verwendet?
Antworten: Nicht invertierende Verstärker werden wegen ihrer hohen Impedanzwerte und besseren Stabilitäten aufgrund negativer Rückkopplung und Verstärkung verwendet. Die Eigenschaft eines nicht invertierenden Verstärkers, der am Ausgang Verstärkung oder Widerstand liefert, machte ihn für die Schaltungsdifferenzierung für kaskadierte Systeme berühmt.
2. Welcher ist ein besserer invertierender oder nicht invertierender Verstärker?
Antworten: Invertierende Verstärker sind bevorzugter als nicht invertierende Verstärker. Die Anstiegsgeschwindigkeit und das Standardmodus-Unterdrückungsverhältnis (CMRR) sind für einen invertierenden Verstärker höher als für einen nicht invertierenden Verstärker.
3. Zeichnen Sie eine nicht invertierende Verstärkerwellenform.
Antworten: Das folgende Bild zeigt die Wellenform des nicht invertierenden Verstärkers. Wir können beobachten, dass der Ausgang verstärkt ist und sich in derselben Phase wie der Eingang befindet.
4. Für welche Anwendung wird ein invertierender Verstärker verwendet und für welche Anwendung wird ein nicht invertierender Verstärker verwendet?
Antworten: Anwendungen, bei denen der Benutzer eine höhere Verstärkung, eine bessere Anstiegsrate und ein besseres CMRR benötigt, wählen den invertierenden Verstärker. Und wenn ein Benutzer eine höhere dynamische Stabilität des Systems benötigt, sollte er sich für den nicht invertierenden Verstärker eignen.
5. Was sind die Vorteile eines invertierenden Verstärkers gegenüber einem nicht invertierenden?
Antworten: Ein invertierender Verstärker bietet mehr Verstärkung, eine bessere Anstiegsrate und ein höheres CMRR als ein nicht invertierender Verstärker.
6. Was sind die typischen Bedingungen für den Betrieb eines nicht invertierenden Verstärkers im linearen Bereich?
Antworten: Betrachten wir, Rs ist ein typischer Eingangswiderstand, Rf ist der Rückkopplungswiderstand, Vcc ist die Sättigungsspannung und Vg ist eine Referenzspannung. Die Bedingung für das Arbeiten im linearen Bereich eines idealen Operationsverstärkers ist:
(Rs + Rf) / Rs> | Vcc / vg |
7. Warum wird eine virtuelle Masse nicht an einen nicht invertierenden Verstärker angelegt?
Antworten: Obwohl die Lernenden die Frage häufig stellen, liegt ein technischer Fehler im Problem selbst vor. Virtual Ground ist eine Eigenschaft des Verstärkers, aber kein Gesetz, das tatsächlich angewendet werden kann. Für ein nicht invertierendes Terminal ist kein Knoten in der Schaltung vorhanden, was nicht gut ist.
8. Warum ist die IP-Beständigkeit von invertierendem und nicht invertierendem Opam unendlich?
Antworten: Der Eingangswiderstand von nicht invertierend Operationsverstärker ist unendlich, aber wenn dieser Impedanzwert erhöht wird, ist der Strom, den er tatsächlich ziehen wird, umso geringer. Die Bedingung ist notwendig, damit der Operationsverstärker das Wochensignal effizient ausführen und verstärken kann.
9. Warum liegt in einem nicht invertierenden Verstärker keine Spannung über dem Rückkopplungswiderstand an?
Antworten: Für einen Spannungsfolger nicht invertierende Schaltung, es gibt keinen Spannungsabfall über den invertierenden Anschluss und im Idealfall sollte kein Strom durch den Widerstand fließen.
10. Warum muss der Wert der Rückkopplungswiderstände bei einem nicht invertierenden Operationsverstärker größer sein als der Wert der Eingangswiderstände?
Antworten: Die Verstärkung eines nicht invertierenden Verstärkers wird als [1 + (Rf / Ra)] angegeben. Wir können beobachten, dass eine Erhöhung des Rf (Rückkopplungswiderstandes) die Gesamtverstärkung des Systems erhöht. Aus diesem Grund wird der Rückkopplungswiderstandswert besser gehalten als die Eingangswiderstandswerte.
11. Was passiert, wenn ich einem nicht invertierenden Verstärker einen Kondensator mit positiver Rückkopplung hinzufügen möchte? Was ist mit dem Rauschen und dem Phasenabstand?
Antworten: Wenn Sie einem nicht invertierenden Verstärker einen Kondensator mit positiver Rückkopplung hinzufügen, arbeitet die Schaltung als Multi-Vibrator. Der RC-Wert steuert die Schwingung. Der Rausch- und Phasenabstand ist nicht so wichtig.
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