Neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas yra svarbi operacijos stiprintuvo konfigūracija, skirta sujungti kelis įvesties signalus, išsaugant jų pradinį poliškumą. Jis sukuria vieną sustiprintą išvestį, pagrįstą bendru visų įėjimų ir grįžtamojo ryšio tinklo poveikiu. Šiame straipsnyje paaiškinamas jo grandinės veikimas, įtampos ryšiai, praktiniai apribojimai ir projektavimo aspektai, kad būtų galima aiškiai ir išsamiai suprasti, kaip jis veikia.
Kas yra neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas?
Neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas yra operacinė stiprintuvo grandinė, sujungianti kelias įvesties įtampas ir sukurianti vieną sustiprintą išvestį su tuo pačiu poliškumu. Visi įvesties signalai taikomi neapverčiančiam gnybtui, o grįžtamojo ryšio tinklas nustato stiprinimą.
Išėjimo įtampa yra:
VOUT=(1+Rf/Ri)⋅VIN
kur VIN yra efektyvi kombinuota įėjimo įtampa.
Skirtingai nuo idealaus papildytojo, ši grandinė atlieka svertinį, neidealų sumavimą dėl rezistoriaus sąveikos įėjime.
Grandinės konfigūracija ir veikimo principas
Neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas naudoja op-amp su keliais įvesties rezistoriais, prijungtais prie neinvertuojančio (+) gnybto. Kiekviena įvesties įtampa praeina per savo rezistorių prieš pasiekdama įvesties mazgą. Šie rezistoriai sudaro įtampą jungiantį tinklą, kuris sukuria vieną efektyvią įvesties įtampą iš visų taikomų signalų.
Grandinė susideda iš trijų pagrindinių dalių:
• Įvesties rezistorių tinklas, kuris sujungia įvesties įtampas
• Operacinis stiprintuvas, kuris sustiprina kombinuotą signalą
• Grįžtamojo ryšio tinklas, kuris kontroliuoja stiprinimą ir stabilizuoja išėjimą
Invertuojantis (-) gnybtas yra prijungtas prie grįžtamojo ryšio rezistorių Rfand Ri. Šis grįžtamasis ryšys priverčia operacinį stiprintuvą veikti kontroliuojamoje linijinėje srityje ir nustato, kiek sustiprinama kombinuota įvesties įtampa.
Išėjimas išlieka fazėje su įvesties signalais, todėl yra 0° fazės poslinkis. Tai yra vienas iš pagrindinių skirtumų tarp neinvertuojančio sumavimo stiprintuvo ir invertuojančio sumavimo stiprintuvo.
Nors keli įėjimai yra prijungti, jie neveikia savarankiškai. Rezistorių tinklas sukelia įtampos sąveiką, todėl vieno įvesties poveikis iš dalies priklauso nuo rezistoriaus verčių, prijungtų prie kitų įėjimų. Dėl šios priežasties grandinė elgiasi labiau kaip svertinis įtampos kombinatorius nei ideali vasara.
Išėjimo įtampa ir perdavimo funkcija
Išėjimo įtampa priklauso nuo dviejų veiksnių:
• Efektyvi įtampa neinverčiančiame gnybte
• Uždaro ciklo stiprinimas, kurį nustato grįžtamojo ryšio tinklas
Procesas vyksta dviem etapais. Pirma, įvesties rezistorių tinklas sukuria kombinuotą įvesties įtampą. Tada operacinis stiprintuvas sustiprina šią įtampą naudodamas stiprinimo lygtį.
Kombinuota įvesties įtampa
Bendra įėjimo įtampa nėra paprasta suma. Kiekvienas įėjimas prisideda pagal aplinkinį rezistorių tinklą.
Trims įėjimams:
VIN=VIN1+VIN2+VIN3
Kiekvienas terminas reiškia svertinį įnašą:
VIN1=V1⋅(R2∥R3/(R1+(R2∥R3)))
VIN2=V2⋅(R1∥R3/(R2+(R1∥R3)))
VIN3=V3⋅(R1∥R2/(R3+(R1∥R2)))
Kiekvienas įėjimas priklauso nuo kitų rezistorių šakų. Ši sąveika užkerta kelią idealiam papildymui.
Išėjimo įtampa
Suradus kombinuotą įvesties įtampą, operacinis stiprintuvas ją sustiprina naudodamas standartinį neinvertuojantį stiprinimą:
VOUT=(1+Rf/Ri)⋅VIN
Todėl galutinį rezultatą lemia ir įvesties tinklas, ir grįžtamojo ryšio santykis.
Užbaigti perdavimo funkciją
Sujungus įvesties indėlį su stiprinimo lygtimi, gaunama:
VOUT=1+(Rf/Ri)[V1⋅(R2∥R3/(R1+(R2∥R3)))+V2⋅(R1∥R3R2/(+(R1∥R3)))+V3⋅(R1∥R2/(R3+(R1∥R2)))))]
Ši išraiška rodo, kad kiekviena įvestis yra svertinė ir tarpusavyje susijusi. Išėjimas priklauso nuo viso rezistoriaus tinklo, o ne nuo izoliuotų įėjimų.
Apibendrinkite elgesį ir įvesties sąveiką
Ši grandinė neatlieka idealaus sumavimo. Visi įėjimai turi tą patį mazgą, todėl jie daro įtaką vienas kitam per rezistoriaus tinklą.
Vienodas sumavimas
Jei visi įvesties rezistoriai yra vienodi, kiekvienas įėjimas turi tą pačią įtaką:
VOUT=(1+(Rf/Ri))⋅((V1+V2+V3)/3)
Taip sukuriamas subalansuotas indėlis. Tačiau sąveika vis dar egzistuoja, nes įėjimai turi bendrą mazgą.
Svertinis sumavimas
Jei rezistoriaus vertės skiriasi, grandinė atlieka svertinį sumavimą:
• Mažesnis rezistorius → stipresnis indėlis
• Didesnis rezistorius → silpnesnis indėlis
Tai leidžia kontroliuoti, kiek kiekviena įvestis veikia išvestį. Svoriams vis dar įtakos turi bendras tinklas.
Įvesties sąveika ir įkėlimo efektai
Visi įėjimai yra prijungti prie to paties mazgo, todėl jie nėra izoliuoti. Tai sukelia keletą padarinių:
• Kiekvienas įėjimas keičia kitų indėlį
• Šaltinio varža turi įtakos svoriui
• Pridėjus arba pašalinus įvestis, pasikeičia išvestis
Dėl šių apkrovos efektų grandinės elgesys priklauso nuo įtampos ir rezistoriaus santykių.
Sąveikos poveikio mažinimas
Sąveikos negalima pašalinti, tačiau ją galima sumažinti:
• Naudokite didesnės vertės įvesties rezistorius
• Šaltinio varžos turi būti panašios
• Pridėkite buferinius stiprintuvus prieš įėjimus
Šie veiksmai pagerina stabilumą ir daro grandinę labiau nuspėjamą.
Projektavimo metodas ir geriausia praktika
Neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas gali gerai veikti praktiškai, tačiau jis turi būti kruopščiai suprojektuotas. Kadangi išėjimas priklauso nuo stiprinimo ir įvesties sąveikos, svarbu tikslingai pasirinkti rezistoriaus vertes, o ne manyti, kad įėjimai bus idealūs.
Projektavimo žingsniai
• Pasirinkite reikiamą uždaro ciklo stiprinimą pagal norimą išvesties lygį
• Pasirinkite grįžtamojo ryšio rezistorius Rfand Ri, nes jie lemia stiprinimą
• Pasirinkite įvesties rezistorius R1, R2 ir R3 pagal tai, kaip stipriai kiekvienas įėjimas turėtų prisidėti
• Nuspręskite, ar dizainas turėtų naudoti vienodą sumavimą, ar svertinį sumavimą
• Patikrinkite dizainą naudodami visą perdavimo lygtį, o ne darant prielaidą, kad idealus sudėjimas
Dažnos klaidos
| Problema | Priežastis | Pataisymas |
|---|---|---|
| Neteisinga išvestis | Ignoruojama rezistoriaus sąveika tarp šakų | Naudokite visos grandinės lygtį ir perskaičiuokite bendrą įvesties įtampą |
| Stiprinimo klaida | Neteisingas Rf/Riratio | Perskaičiuokite uždaro ciklo stiprinimą ir patvirtinkite rezistoriaus vertes |
| Išvesties iškraipymas | Išėjimas pasiekia maitinimo įtampos ribas | Patikrinkite įvesties amplitudę, stiprinimą ir maitinimo diapazoną |
| Įvesties trukdžiai | Rezistoriaus vertės per mažos arba šaltinio sąveika per stipri | Padidinkite rezistoriaus vertes arba naudokite įvesties buferius |
Apverstas ir neapverčiamas sumavimo stiprintuvas
| Funkcija | Apverstas sumavimo stiprintuvas | Neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas |
|---|---|---|
| Įvesties terminalas | Įvesties signalai į invertuojantį (−) gnybtą perduodami per rezistorius | Įvesties signalai sujungiami ir pritaikomi prie neinvertuojančio (+) gnybto |
| Etapas | Išėjimas yra 180° iš fazės su įėjimais | Išeiga išlieka fazėje su sąnaudomis |
| Rezultatas | Gaunama neigiama suminė produkcija | Gaunamas teigiamas svertinis rezultatas |
| Įvesties sąveika | Minimalus, nes kiekviena įvestis mato virtualią žemę | Dabar, nes visi įėjimai dalijasi jungiamuoju tinklu |
| Pelnas | Gali būti mažesnis arba didesnis nei 1, priklausomai nuo rezistoriaus verčių | Paprastai didesnis nei 1 standartinėje formoje |
Privalumai ir apribojimai
Privalumai
• Išėjimas išlieka fazėje su įvesties signalais
• Grandinė turi didelę įėjimo varžą, kuri gali sumažinti kai kurių šaltinių apkrovą
• Stiprinimą galima reguliuoti per grįžtamojo ryšio rezistorius
• Tai naudinga sujungiant kelis signalus į vieną išvesties kelią
Apribojimai
• Įėjimai sąveikauja tarpusavyje per bendrą rezistorių tinklą
• Tikslumas priklauso nuo rezistoriaus verčių ir šaltinio varžos
• Grandinę sunkiau analizuoti nei idealų sumavimo modelį
• Našumas gali keistis, kai įėjimai pridedami, pašalinami arba prijungiami prie skirtingų šaltinio sąlygų
Neinvertuojančio sumavimo ampkeltuvo taikymas
• Garso signalo maišymas – sujungia kelis garso signalus, išlaikant jų poliškumą nepakitusį
• Jutiklių signalų derinimas – sujungia kelių jutiklių išėjimus į vieną apdorojimo etapą
• Duomenų rinkimo sistemos – sujungia analoginius įvesties signalus prieš konvertavimą ar stebėjimą
• Analoginis signalų apdorojimas – atlieka svertinį signalų pridėjimą valdymo ar matavimo grandinėse
• Kaskadinės grandinės – padeda sujungti kelias grandinės pakopas, išlaikant tinkamas įvesties sąlygas
Išvada
Neinvertuojantis sumavimo stiprintuvas sujungia ir sustiprina kelis signalus, išlaikydamas poliškumą. Tačiau jis neatlieka idealaus sumavimo. Įvesties sąveika ir apkrovos efektai daro išvestį priklausomą nuo rezistorių ryšių ir šaltinio sąlygų. Tinkamai suprojektavus ir supratus šiuos apribojimus, grandinė gali būti efektyviai naudojama praktinėse signalų apdorojimo programose.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kaip pasirinkti tinkamą operacijos stiprintuvą neapverčiančiam sumavimo stiprintuvui?
Pasirinkite operacinį stiprintuvą su pakankamu pralaidumu, didele įvesties varža ir maža įvesties poslinkio srove. Jis taip pat turėtų palaikyti reikiamą išėjimo įtampos diapazoną be prisotinimo. Norėdami tiksliai susumuoti, pasirinkite operacijos stiprintuvą su žema poslinkio įtampa ir stabiliu veikimu numatomame dažnių diapazone.
Kodėl neinvertuojančio sumavimo stiprintuvo stiprinimas yra didesnis nei 1?
Grįžtamojo ryšio tinklas nustato stiprinimą taip: VOUT=(1+Rf/Ri)⋅VIN. Dėl termino "+1" padidėjimas visada yra didesnis nei 1. Tai reiškia, kad grandinė visada sustiprina kombinuotą įvestį, o ne tiesiog perduoda ją nepakitusią.
Ar neinvertuojantis sumuojantis stiprintuvas gali veikti su kintamosios srovės signalais?
Taip, jis gali apdoroti tiek nuolatinės, tiek kintamosios srovės signalus. Tačiau operacinio stiprintuvo pralaidumas ir pasukimo dažnis turi būti pakankamai didelis, kad būtų galima valdyti signalo dažnį. Esant aukštesniems dažniams, stiprinimas gali sumažėti dėl pralaidumo apribojimų.
Kiek įvesties signalų gali apdoroti neapverčiantis sumuojantis ampkeltuvas?
Nėra nustatytos ribos, tačiau taikomi praktiniai apribojimai. Pridedant daugiau įvesties, didėja įkėlimo efektai ir sąveika, o tai gali sumažinti tikslumą. Paprastai pirmenybė teikiama nedideliam įvesties skaičiui, nebent naudojamos buferinės pakopos.
Kaip išvengti iškraipymų neapverčiančiame sumavimo ampkeltuvas?
Iškraipymus galima sumažinti užtikrinant, kad išėjimas neviršytų maitinimo įtampos ribų. Naudokite tinkamus stiprinimo nustatymus, venkite didelių įvesties amplitudės ir pasirinkite operacijos stiprintuvą su tinkamu pasukimo greičiu ir linijiniu veikimo diapazonu.
