Una delle principali applicazioni dell'amplificatore operazionale è il amplificatore sommatore o sommatore. Quando l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è enorme, viene fornito un segnale di ingresso superiore all'amplificatore invertente per aggiungere il segnale dato all'uscita, noto come amplificatore sommatore. Si tratta di un circuito operazionale in cui vengono aggiunti diversi segnali di ingresso di tensione amplificatore invertente in un'unica tensione di uscita. Quindi questo circuito è classificato in due tipologie in base al segno dell'uscita; Amplificatore sommatore invertente e amplificatore sommatore non invertente. Questo articolo fornisce brevi informazioni su un amplificatore sommatore invertente , il suo funzionamento e le sue applicazioni.
Cos'è l'amplificatore sommatore invertito?
Un amplificatore sommatore invertente è una delle principali configurazioni di amplificatori operazionali in cui i segnali di ingresso vengono sommati e invertiti all'uscita. Questo amplificatore inverte la fase o la polarità del segnale di uscita rispetto al segnale di ingresso. In questa configurazione dell'amplificatore, l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale riceve la tensione di ingresso e l'ingresso non invertente è collegato a GND. Pertanto, il guadagno di questo amplificatore può essere controllato attraverso la scelta dei valori del resistore di feedback e del resistore di ingresso.
Ruolo dell'amplificatore operazionale nell'amplificatore sommatore:
Nel circuito dell'amplificatore sommatore, l'amplificatore operazionale o amplificatore operazionale gioca un ruolo chiave. Comprendere l'amplificatore operazionale determinerà il comportamento dell'amplificatore sommatore. Un amplificatore operazionale è un amplificatore di tensione ad alto guadagno che include un ingresso differenziale e un'uscita single-ended. La tensione di uscita nell'amplificatore operazionale è proporzionale alla variazione tra le due tensioni di ingresso.
L'amplificatore operazionale in un amplificatore sommatore viene utilizzato in due diverse modalità; inseguitore di tensione e modalità inverter.
- Nella modalità inseguitore di tensione, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale riproduce la tensione di ingresso per rendere l'amplificatore operazionale ideale principalmente per il buffering del segnale.
- In modalità inverter, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale può essere amplificata e invertita nella tensione di ingresso.
Il funzionamento dell’amplificatore sommatore dipende estremamente dalla configurazione dell’amplificatore operazionale. Pertanto, il funzionamento dell'amplificatore operazionale nell'amplificatore sommatore fornisce un calcolo preciso, amplificato e potenzialmente invertito delle tensioni di ingresso fornite all'amplificatore sommatore.
Funzionamento dell'amplificatore sommatore invertito
Questo amplificatore sommatore invertente funziona invertendo la polarità (o) la fase del segnale o/p dell'amplificatore per il segnale i/p. Pertanto, il segnale di ingresso di questo amplificatore viene fornito all'ingresso invertente e l'ingresso non invertente viene fornito al terminale di terra. Il segnale di uscita amplificato che può essere generato è sempre sfasato di 180° rispetto all'ingresso. Un ingresso positivo di questo amplificatore produce un'uscita negativa e viceversa. Il guadagno di questo amplificatore può essere controllato selezionando i valori del resistore di feedback e del resistore di ingresso. UN invertendo l'uscita dell'amplificatore sommatore la tensione può essere espressa come:
Vout = -(Rf/R1)*Vin + -(Rf/R2)*Vin2+…+-(Rf/Rn)*Vinputn
IL guadagno dell'amplificatore sommatore invertente è Guadagno (Av) = Vout/Vin = -Rf/Rin
Qui è importante notare che l'amplificatore sommatore operazionale può essere progettato anche tramite la configurazione non invertente. Ma la principale distinzione tra l'amplificatore sommatore invertente e non invertente è l'ingresso impedenza . Un amplificatore sommatore invertente ha un'impedenza di ingresso inferiore rispetto a un amplificatore sommatore non invertente a causa della rete di feedback. Quindi i segnali di ingresso di questo amplificatore possono essere amplificati in base ai resistori collegati all'amplificatore operazionale e la somma dei segnali di ingresso amplificati può essere invertita ed essere visibile all'amplificatore operazionale.
Circuito amplificatore sommatore invertente
L'amplificatore sommatore invertente è una versione estesa del design dell'amplificatore invertente, il che significa che diversi ingressi sono forniti al terminale invertente dell'amplificatore operazionale mentre il terminale non invertente è collegato a GND. Il circuito dell'amplificatore sommatore invertente è mostrato di seguito. Questo circuito ha diverse tensioni di ingresso che sono collegate al terminale di ingresso invertente dell'amplificatore e l'uscita sarà la quantità di tutte le tensioni di ingresso applicate ma invertite.
Nel circuito sopra, quando il terminale non invertente è collegato a GND, il terminale invertente è a GND virtuale. Pertanto, il nodo di ingresso invertente diventerà un nodo ideale principalmente per sommare le correnti i/p.
Inversione dell'equazione dell'amplificatore sommatore
Di seguito è mostrato l'amplificatore sommatore invertente che utilizza l'amplificatore operazionale. In questo circuito, tutti i segnali di ingresso aggiunti possono essere forniti al terminale di ingresso invertente. Quindi, il circuito con due ingressi
Nel circuito sopra, il terminale non invertente o punto B è messo a terra, a causa del concetto di GND virtuale, il nodo A può anche trovarsi al potenziale GND virtuale.
VA = VB = 0 —— (I)
Dal lato di ingresso di questo circuito;
I1 = V1-VA/R1 = V1/R1 —— (ii)
I2 = V2-VA/R2 = V2/R2 —— (iii)
L'applicazione al nodo A e la corrente all'amplificatore operazionale di ingresso è zero.
I = I1 + I2—— (iv)
Dall'uscita dell'amplificatore,
I = VA-Vo/Rf = -Vo/Rf————– (v)
Sostituisci le equazioni ii, iii in iv.
-Vo/Rf = V1/R1 + V2/R2.
Vo = -Rf (V1/R1 + V2/R2).
Vo = – ((Rf /R1) V1 + (Rf /R2) V2).
Se le tre resistenze R1, R2 e Rf sono uguali allora R1= R2 = Rf, quindi l'equazione sopra diventerà come;
Vo = – (V1 + V2)………(Vi)
Selezionando correttamente R1, R2 e Rf, possiamo ottenere la somma ponderata dei segnali di ingresso come; aV1 + bV2 che è indicato dall'equazione Vi. In realtà in questo modo vengono sommate “n” tensioni di ingresso.
Pertanto, l'entità della tensione di uscita è la quantità delle tensioni di ingresso e quindi questo circuito è noto come sommatore o circuito estivo. All'uscita, a causa dell'indicazione negativa della somma, è noto come amplificatore sommatore invertente.
Come derivare la funzione di trasferimento dell'amplificatore sommatore invertente
Questo amplificatore aggiunge i segnali di ingresso e inverte l'uscita. Ai segnali di ingresso in questo amplificatore viene sommato il relativo guadagno. Il seguente circuito mostra l'amplificatore sommatore invertente comprendente due ingressi. La funzione di trasferimento di questo amplificatore è mostrata di seguito.
Vout = -[V1(Rf/R1)+V2(Rf/R2)]
Usando il teorema di sovrapposizione , iniziamo azzerando l'ingresso V2 come mostrato nella figura seguente. Qui il punto principale è capire che il livello di tensione all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale è zero volt perché l'ingresso non invertente è collegato a GND.
Questo amplificatore operazionale imposterà il livello o/p su una tensione che porta il suo ingresso invertente su un intervallo simile all'ingresso non invertente. Ciò è dovuto al guadagno differenziale molto elevato di questo amplificatore operazionale, pari a 100.000. Se l'o/p è di pochi volt (5 V), la tensione differenziale all'ingresso dell'amplificatore operazionale deve esserlo
Vd = 5 V/100.000 = 50 uV.
L'ingresso invertente e non invertente è considerato con un potenziale simile con pochi microvolt tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale. Il GND virtuale all'interno dell'ingresso invertente aiuta a determinare la caduta di tensione sul resistore di feedback 'Rf'. Poiché l'ingresso invertente è a 0 V, la caduta di tensione sopra Rf è simile a Vout. Pertanto, la corrente attraverso Rf, If può essere scritta come;
Se = Vout/Rf
Il flusso di corrente attraverso il resistore R1 è la corrente 'I1' e può essere scritta come la seguente equazione.
I1=V1/R1
L'amplificatore operazionale è l'ideale
L'amplificatore operazionale può essere considerato ideale, quindi la corrente di polarizzazione in ingresso 'Ib' è molto vicina allo zero. Inoltre, il resistore 'R2' è collegato con un singolo ramo a GND mentre l'altro ramo è collegato a un nodo GND virtuale. Il flusso di corrente attraverso il resistore 'R2' è molto vicino allo zero. Qui la legge della corrente di Kirchoff dice che la somma di tutte le correnti all'interno di un nodo è zero, quindi possiamo scriverlo,
Se + I1 + I2 + Ib = 0
Dopo aver sostituito 'Se' e I1,
Vout/Rf = -V1/R1 o -V1 (Rf/R1)
L'equazione di cui sopra è simile alla funzione di trasferimento dell'amplificatore operazionale in una configurazione invertente. L'amplificatore che include V1 nel suo i/p è un normale inverter poiché il flusso di corrente attraverso 'R2' è zero.
Nelle seguenti condizioni del teorema di sovrapposizione, memorizziamo 'V2' e azzeriamo 'V1'. Le seguenti idee simili a 'V1', la tensione o/p Vout2 ogni volta che c'è solo 'V2' all'interno dell'amplificatore di ingresso è;
Vout2 = -V2 (Rf/R1)
Funzione di trasferimento:
Aggiungendo le due tensioni o/p, la T.F dell'amplificatore sommatore invertente
Vout = Vout1 + Vout2
Vout = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2)]
La funzione di trasferimento di questo amplificatore con segnali di ingresso 'n' è
Vout = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2) +…+ Vn (Rf/Rn)]
Esempio 1:
Assumiamo i valori dei resistori per l'inversione dell'amplificatore sommatore Rf = 100KOhm, R1=10KOhm e R2=10KOhm. I segnali audio in ingresso di questo amplificatore sono Vinput1 = 1 V e Vinput2 = 2 V, quindi calcola Vout per questo amplificatore.
Sappiamo che Rf = 100KOhm, R1=10KOhm e R2=10KOhm.
Ingresso Vin1 = 1 V e Ingresso Vin2 = 2 V
Se sostituiamo questi valori nell'equazione dell'amplificatore sommatore, possiamo ottenere;
Vout = – (Rf/R1) * Viningresso1 – (Rf/R2) * Viningresso2
= – (100/10) * 1 – (100/10) * 2
= – (10) * 1 – (10) * 2 = – 10 * – 20 = -30V.
La tensione di uscita è -30 Volt, che è un'amplificazione e una somma dei segnali di ingresso dopo la regolazione dei valori di resistenza. Diversi fattori modificano l'uscita di un amplificatore come; ottenere prodotto di larghezza di banda, alimentazione di tensione ed effetti di carico. Tuttavia, l'esempio sopra riportato di un amplificatore sommatore fornisce informazioni sull'aritmetica fondamentale e sull'interazione dei componenti che pilotano questo amplificatore. Il processo di somma e amplificazione dei segnali può essere ampliato per includere vari segnali insieme.
Esempio2:
Quale sarà la tensione di uscita per il seguente circuito amplificatore sommatore se tre segnali audio pilotano questo amplificatore?
Per ogni canale nel circuito sopra, i guadagni di tensione ad anello chiuso possono essere misurati come;
ACL1 = – (Rf / R1) => – (100 Kilo Ohm / 20 Kilo Ohm) => – 5 Kilo Ohm.
ACL2 = – (Rf / R2) => – (100 Kilo Ohm / 10 Kilo Ohm) => ACL2 = – 10 Kilo Ohm.
ACL3 = – (Rf / R3) => – (100 Kilo Ohm / 50 Kilo Ohm) => ACL3 = – 2 Kilo Ohm.
La tensione o/p per questo amplificatore sommatore può essere data come;
VOUT => (ACL1 V1 + ACL2 V1 + ACL3 V1)
= – [(5 * 100 mVolt) + (10 * 200 mVolt) + (2 * 300 mVolt)]
= – (0,5 Volt + 2 Volt + 0,6 Volt) => – 3,1 Volt.
Vantaggi e svantaggi
IL vantaggi di invertire un amplificatore sommatore include il seguente.
- Il punto di somma in questo amplificatore è virtualmente al potenziale di terra e quindi le impostazioni e i segnali di ogni diverso canale non si influenzano a vicenda. In questo modo, ogni canale viene mixato o sommato a parte il livello del segnale, ecc.
- Questo amplificatore consente agli esperti dell'audio di unire segnali provenienti da diversi canali e riprodurli in un'unica traccia. Ogni singolo ingresso audio è configurato separatamente senza disturbare l'uscita.
Questo tipo di amplificatore fornisce isolamento tra i singoli ingressi e uscite grazie al suo GND virtuale sul nodo.
IL svantaggi dell'inversione di un amplificatore sommatore include il seguente.
- Lo svantaggio principale di un amplificatore sommatore invertente è che ha un guadagno abbastanza inferiore rispetto all'amplificatore sommatore invertente tipo non invertente .
- Questo amplificatore è sensibile al rumore, quindi degrada il rapporto S/N e diminuisce la precisione del segnale di uscita.
- Il calcolo di questo amplificatore diventa complesso quando aumenta il numero di ingressi.
- In alcuni casi l'inversione della somma in questo amplificatore potrebbe non essere desiderabile.
Applicazioni
IL invertendo le applicazioni dell'amplificatore sommatore include il seguente.
- L'inversione dell'amplificatore sommatore aiuta a invertire la polarità (o) la fase del segnale o/p dell'amplificatore con il segnale di ingresso.
- Si tratta di una configurazione di amplificatore molto specializzata in cui i segnali di ingresso vengono sommati e invertiti all'uscita.
- Questo tipo di amplificatore sommatore viene utilizzato per sommare i segnali.
- Questo amplificatore viene utilizzato per aggiungere segnali diversi con guadagni equivalenti nel mixer audio.
- Questo amplificatore sommatore viene utilizzato per applicare una tensione di offset CC attraverso una tensione di segnale CA.
- Può funzionare anche come sottrattore fornendo semplicemente una tensione o/p equivalente alla variazione di due tensioni.
Pertanto, questa è una panoramica di un amplificatore invertente, circuiti, funzionamento, derivazione, vantaggi, svantaggi e applicazioni. La funzione principale di questo amplificatore è quella di invertire la fase del segnale o/p. Questi amplificatori hanno una bassa impedenza di uscita, un'alta impedenza di ingresso e valori di circuito molto flessibili che possono essere facilmente regolati per gestire il guadagno di ciascun segnale di ingresso.
L'amplificatore operazionale nella somma determina il circuito dell'amplificatore il suo comportamento. L'amplificatore operazionale di questo amplificatore funziona in modalità inseguitore di tensione o inverter. L'equazione di questo amplificatore indica semplicemente la tensione o/p relativa alle tensioni di ingresso e ai resistori all'interno del circuito. Questi amplificatori sommatori sono utilizzati in diverse applicazioni pratiche come; mixer audio, ovunque diversi segnali di ingresso vengono uniti in un'unica uscita. Ecco una domanda per te: cos'è un amplificatore sommatore non invertente?
