Inverterende forstærker

Fra Holstebro HTX Wiki
Version fra 11. okt 2021, 13:36 af Bar (diskussion | bidrag) Bar (diskussion | bidrag) (Forstærkning)
Skift til: navigering, søgning

Introduktion

Inverterende forstærker

Som beskrevet under Operationsforstærker er Opamp'en en differensforstærker - altså forstærker den forskellen mellem + og - indgangen.

Opamp'en kan kobles på mange forskellige og en af måderne er som en inverterende forstærker.


Inverterende forstærker

Ved at koble en operationsforstærker som vist på billedet til højre opnåes en såkaldt inverterende forstærker. Udgangsspændingen, altså det forstærkede signal, har derfor modsat fortegn i forhold til indgangsspændingen.

Idet en operationsforstærkers råforstærkning er utrolig stor, er der for det meste brug for at drossle denne forstærkning ned. Det er her modkoblingen, i form af modstandende, kommer ind i billedet.

Modkoblingen for ved den inverterende forstærker skabt et "virtuelt ground" (0V) ved den negative indgang af operationsforstærkeren. Dette skyldes at når der fødes et signal ind på indgangen (1) vil der opstå en forskel mellem den positive og negative indgang, idet den positive indgang er koblet direkte til ground (0V). Dette skaber en spænding på udgangen og denne spænding føres tilbage igennem R2, hvorved indgangssignalet "trækkes" tilbage til ground (0V).


Teorien bag en Modkoblingens (eksempel)

Forestil dig at vi sætter 1V på indgangen (1) og vores R1=1KΩ og R2=10KΩ. Derved løber der en strøm igennem R1, dernæst til knudepunktet ud for operationsforstærkeren, og videre i R2, for tilsidst at løbe ind i operationsforstærkeren ved udgangen. Da vi som sagt vil have et "virtuelt ground" ved den negative indgang, må vi have et spændingsfald over R1 svarende til den spænding vi påfører (fuldt spændingsfald). Vi kan nu udregne strømmen gennem modstanden til at være:

Inverterende opamp teori1.png

Da vi ifølge Kirchoffs strømlov ved at strømmen i et knudepunkt = 0, idet strømmen til og fra knudepunktet er ens, må strømmen igennem R2 altså være -Ir1 = -1mA. Derved kan vi finde spændingsfaldet over R2, som jo svarer til operationsforstærkerens udgangsspænding.

Screen Shot 2015-12-09 at 08.08.16.png

Altså får vi et spændingsfald på udgangen på -10V.

Forstærkning

I det forrige eksempel så vi at vi havde en forstærkning på -10gg, idet indgangssignalet på 1V blev til et udgangssignal på -10V. Dette skyldes at der er et klart sammenhæng mellem modstandsværdierne og forstærkningen som beskrevet med følgende formel.

Inverterende opamp forstaerkning.png

Indgangsmodstanden

Indgangen på den inverterende forstærker er ind på R1, der har forbindelse til den negative indgang af operationsforstærkeren.

Da punktet med den negative indgang fungerer som en virtuel ground, så vil det ud fra se ud som om R1 sidder til ground. Derfor bliver indgangsmodstanden til R1.

Hævet stel (Offset)

Operationsforstærkeren har som fortalt en positiv og en negativforsyningsspænding. I nogle projekter vil man dog gerne undgå en negativ spænding, og altså nøjes med en enkelt strømforsyning (idet levering at både en positiv og negativ forsyningsspænding kræver 2 strømforsyningskredsløb).

I et sådan tilfælde kan man "hæve" nulpunktet - man laver et såkaldt offset. Dette foregår ved at man blot kobler operationsforstærkeren negative forsyningsindgang til ground (0V) og den positive til plus. I stedet for at koble den positive indgang til stel kobles den til en spændingsdeler så man får den halve forsyningsspænding.

Har vi eksempelvis en 12V forsyningsspænding, vil vi sætte +12V på det positive forsyningsindgang og ground (0V) på det negative forsyningsben. Dernæst vil vi lave en spændingsdeler som laver 6V (eks. to 10KOhm modstande), og dette fører vi ind på den positive indgang.


Vi vil nu ende ud med at have et udgangssignal som svinger omkring 6V - altså er vores nulpunkt blevet flyttet til 6V. Hvis udgangen derfor før skulle være 0V (ingen spænding på indgangen), da vil udgangsspændingen nu være 6V.

Dette er især nyttigt hvis man skal forstærke en spænding som i forvejen ligger omkring et DC-punkt, fx en kondenser mikrofon.


Praktisk erfaring

Ved at sætte kredsløbet op på et fumlebræt testede vi hvordan den inverterende operationsforstærker fungerede rent praktisk. Til forsøget var R1=1K or R2=10K, altså en forstærkning på 10 gange. Operationsforstærkeren var koblet til en forsyningsspænding på +15V og -15V.

Vi sendte et oscillerende signal ind på indgangen og så, ved brug af et oscilloscop, at udgangen var forstærket 10 gange men også vendt rundt (inverteret). Dernæst prøvede vi at sende en DC spænding ind på indgagen og så at udgangen var inverteret og forstærket 10 gange. Sendte vi eks. 0,8V ind, da kom der -8V ud.


Tilsidst prøvede vi at skrue spændingen op på 1,3V, men da vi fortsatte med at skrue spændingen op fulgte udgangen ikke med. Rent teoretisk burde vi jo have kunnet køre op til 1,5V, idet den så ville give -15V på udgangen, hvilket var det den havde som forsyningsspænding. Altså er der en såkaldt "cutoff" spænding på ca. 2V. Dette betyder at forsyningsspænding skal være ca. 2V højere end den ønskede maks spænding på udgangen.


Sidst men ikke mindst prøvede vi også at sende et hurtig-oscillerende signal (høj frekvens, 5KHz) ind på indgangen, og vi bemærkede at udgangen så mærkelig ud - den klippede toppen af (overstyring). Operationsforstærkere er altså ikke i stand til at forstærke høj-frekvente signaler. Se databladet for den pågældende operationsforstærker for at finde maks frekvensen.




[1]

Henvisninger

  1. Rasmussen, Egon: Analog Teknik, 2. udgave, Industriens Forlag, 2001, ISBN: 87-600-0354-5