Een van de belangrijkste toepassingen van op-amp is de sommerende versterker of adder. Wanneer de ingangsimpedantie van de op-amp enorm is, wordt er meer dan één ingangssignaal naar de inverterende versterker gestuurd om het gegeven signaal aan de uitgang toe te voegen, ook wel de sommerende versterker genoemd. Dit is een op-amp-circuit waar verschillende ingangsspanningssignalen aan worden toegevoegd inverterende versterker in één enkele uitgangsspanning. Dit circuit wordt dus in twee typen ingedeeld op basis van het teken van de uitvoer; inverterende optelversterker en niet-inverterende optelversterker. Dit artikel geeft korte informatie over een inverterende sommerende versterker , de werking ervan en de toepassingen ervan.
Wat is een inverterende optelversterker?
Een inverterende optelversterker is een van de belangrijkste op-amp-configuraties waarbij de ingangssignalen aan de uitgang worden opgeteld en omgekeerd. Deze versterker keert de fase of polariteit van het uitgangssignaal om in vergelijking met het ingangssignaal. In deze versterkerconfiguratie krijgt de inverterende ingang van de opamp de ingangsspanning en is de niet-inverterende ingang verbonden met GND. De versterking van deze versterker kan dus worden geregeld door de keuze van de waarden van de feedbackweerstand en ingangsweerstand.
Op-Amp-rol bij het optellen van versterker:
In het optelversterkercircuit is de op-amp of operationele versterker speelt een sleutelrol. Het begrijpen van de op-amp zal het gedrag van de optelversterker bepalen. Een op-amp is een spanningsversterker met hoge versterking, inclusief een differentiële ingang en uitgang met één uiteinde. De uitgangsspanning in op-amp is evenredig met de variatie binnen de twee ingangsspanningen.
De operationele versterker in een optelversterker wordt in twee verschillende modi gebruikt; spanningsvolger en invertermodus.
- In de spanningsvolgermodus reproduceert de uitgangsspanning van de op-amp de ingangsspanning, waardoor de operationele versterker vooral ideaal is voor signaalbuffering.
- In de invertermodus kan de uitgangsspanning van de op-amp worden versterkt en omgekeerd naar de ingangsspanning.
De werking van de sommerende versterker is sterk afhankelijk van de Op Amp-configuratie. De werking van de operationele versterker in de optelversterker zorgt dus voor een nauwkeurige, versterkte en potentieel omgekeerde berekening van de ingangsspanningen die aan de optelversterker worden geleverd.
Omkeren van de optelversterker werkt
Deze inverterende optelversterker werkt door de polariteit (of) fase van het o/p-signaal van de versterker voor het i/p-signaal om te keren. Het ingangssignaal van deze versterker wordt dus aan de inverterende ingang gegeven en de niet-inverterende ingang aan de aardaansluiting. Het versterkte uitgangssignaal dat gegenereerd kan worden is altijd 180° uit fase met de ingang. Een positieve ingang van deze versterker levert een negatieve uitgang op en omgekeerd. De versterking van deze versterker kan worden geregeld door de waarden van de feedbackweerstand en ingangsweerstand te selecteren. Een inverterende optelversterkeruitgang spanning kan worden uitgedrukt als:
Vout = -(Rf/R1)*Vin + -(Rf/R2)*Vin2+…+-(Rf/Rn)*Vinputn
De winst van inverterende sommerende versterker is Versterking (Av) = Vout/Vin = -Rf/Rin
Hier is het belangrijk op te merken dat de op-amp-optelversterker ook kan worden ontworpen via de niet-inverterende configuratie. Maar het belangrijkste onderscheid tussen de inverterende en niet-inverterende optelversterker is de invoer impedantie . Een inverterende sommerende versterker heeft vanwege het feedbacknetwerk een lagere ingangsimpedantie dan een niet-inverterende sommerende versterker. De ingangssignalen van deze versterker kunnen dus worden versterkt op basis van de weerstanden die op de op-amp zijn aangesloten, en de som van de versterkte ingangssignalen kan worden omgekeerd en in beeld komen bij de op-amp.
Omkerend optelversterkercircuit
De inverterende sommerende versterker is een uitgebreide versie van het inverterende versterkerontwerp, wat betekent dat er verschillende ingangen worden geleverd aan de inverterende terminal van de op-amp, terwijl de niet-inverterende terminal is verbonden met GND. Het inverterende sommerende versterkercircuit wordt hieronder getoond. Dit circuit heeft verschillende ingangsspanningen die zijn aangesloten op de inverterende ingangsterminal van de versterker en de uitgang zal het bedrag zijn van alle toegepaste ingangsspanningen, maar dan omgekeerd.
In het bovenstaande circuit, wanneer de niet-inverterende terminal is aangesloten op GND, bevindt de inverterende terminal zich op virtuele GND. Het inverterende ingangsknooppunt zal dus een ideaal knooppunt worden, voornamelijk voor het optellen van de i/p-stromen.
Omkeren van de optelversterkervergelijking
De inverterende sommerende versterker die gebruik maakt van op-amp wordt hieronder weergegeven. In dit circuit kunnen alle toegevoegde ingangssignalen aan de inverterende ingangsterminal worden gegeven. Dus het circuit met twee ingangen
In het bovenstaande circuit is de niet-inverterende terminal of punt B geaard, vanwege het virtuele GND-concept kan knooppunt A ook een virtueel GND-potentieel hebben.
VA = VB = 0 —— (I)
Vanaf de ingangszijde van dit circuit;
I1 = V1-VA/R1 = V1/R1 —— (ii)
I2 = V2-VA/R2 = V2/R2 —— (iii)
Toepassen op knooppunt A en stroom bij ingangs-op-amp is nul.
ik = I1 + I2—— (iv)
Vanaf de uitgang van de versterker,
I = VA-Vo/Rf = -Vo/Rf————– (v)
Vervang ii, iii vergelijkingen in iv.
-Vo/Rf = V1/R1 + V2/R2.
Vo = -Rf (V1/R1 + V2/R2).
Vo = – ((Rf /R1) V1 + (Rf /R2) V2).
Als de drie R1-, R2- en Rf-weerstanden gelijk zijn, dan wordt R1= R2 = Rf, dus de bovenstaande vergelijking wordt als;
Vo = – (V1 + V2)…(Vi)
Door R1, R2 & Rf op de juiste manier te selecteren, kunnen we een gewogen optelling van de ingangssignalen krijgen, zoals; aV1 + bV2, aangegeven door de Vi-vergelijking. Eigenlijk worden op deze manier ‘n’ ingangsspanningen toegevoegd.
Daarom is de grootte van de uitgangsspanning de hoeveelheid ingangsspanningen en daarom staat dit circuit bekend als een optel- of zomercircuit. Aan de uitgang staat deze vanwege de negatieve indicatie van de som bekend als een inverterende sommerende versterker.
Hoe de overdrachtsfunctie van de inverterende sommerende versterker kan worden afgeleid
Deze versterker voegt de ingangssignalen toe en keert de uitgang om. De ingangssignalen in deze versterker worden met hun versterking opgeteld. De volgende schakeling toont de inverterende sommerende versterker inclusief twee ingangen. De overdrachtsfunctie van deze versterker is hieronder weergegeven.
Vuit = -[V1(Rf/R1)+V2(Rf/R2)]
De ... gebruiken superpositiestelling Laten we beginnen door V2-invoer nul te maken, zoals weergegeven in de volgende afbeelding. Het belangrijkste punt hier is om te begrijpen dat het spanningsniveau aan de inverterende ingang van de op-amp nul volt is, omdat de niet-inverterende ingang is verbonden met GND.
Deze operationele versterker zal het o/p-niveau instellen op een spanning die de inverterende ingang op een vergelijkbaar bereik brengt als de niet-inverterende ingang. Dit komt dus door de zeer hoge differentiële versterking van deze op-amp, zoals 100.000. Als de o/p enkele volt (5V) bedraagt, moet de differentiële spanning aan de ingang van de operationele versterker dat zijn
Vd = 5V/100.000 = 50uV.
De inverterende en niet-inverterende ingang wordt beschouwd als een vergelijkbaar potentieel met weinig microvolt tussen de ingangen van de op-amp. De virtuele GND binnen de inverterende ingang helpt bij het bepalen van de spanningsval op de ‘Rf’-feedbackweerstand. Omdat de inverterende ingang 0V bedraagt, is de spanningsval boven Rf vergelijkbaar met Vout. De stroom door Rf, If kan dus worden geschreven als;
Als = Vuit/Rf
De stroom van stroom door de R1-weerstand is stroom ‘I1’ en kan als de volgende vergelijking worden geschreven.
I1=V1/R1
Operationele versterker is ideaal
De operationele versterker kan als ideaal worden beschouwd, dus de ingangsvoorspanningsstroom ‘Ib’ is zeer dicht bij nul. Bovendien is weerstand ‘R2’ met een enkele poot verbonden met GND, terwijl de andere poot is verbonden met een virtueel GND-knooppunt. De stroomstroom door weerstand ‘R2’ is zeer dicht bij nul. Hier zegt de huidige wet van Kirchoff dat de som van alle stromen binnen een knooppunt nul is, dus we kunnen dat schrijven:
Als + I1 + I2 + Ib = 0
Na het vervangen van ‘If’ & I1,
Vuit/Rf = -V1/R1 of -V1 (Rf/R1)
De bovenstaande vergelijking lijkt op de opamp-overdrachtsfunctie in een inverterende configuratie. De versterker inclusief V1 in zijn i/p is een gewone omvormer, aangezien de stroom door ‘R2’ nul is.
In de volgende omstandigheden van de superpositiestelling slaan we ‘V2’ op en maken ‘V1’ nul. De volgende vergelijkbare ideeën als voor 'V1', de o/p-spanning Vout2 wanneer er alleen maar 'V2' in de ingangsversterker is;
Vuit2 = -V2 (Rf/R1)
Overdrachtsfunctie:
Door de twee o/p-spanningen bij elkaar op te tellen, wordt de T.F van de inverterende sommerende versterker
Vuit = Vuit1 + Vuit2
Vuit = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2)]
De overdrachtsfunctie van deze versterker met ‘n’ ingangssignalen is
Vuit = – [V1 (Rf/R1) + V2 (Rf/R2) +…+ Vn (Rf/Rn)]
Voorbeeld 1:
Laten we aannemen dat de weerstandswaarden voor de inverterende sommatieversterker Rf = 100 KOhms, R1=10 KOhms en R2=10 KOhms zijn. De ingangsaudiosignalen van deze versterker zijn 'Vinput1 = 1V en Vinput2 = 2V, dus bereken Vout voor deze versterker.
We weten dat Rf = 100 KOhms, R1=10 KOhms en R2=10 KOhms.
Vinput1 = 1V & Vinput2 = 2V
Als we deze waarden in de somversterkervergelijking vervangen, kunnen we krijgen;
Vuit = – (Rf/R1) * Vinput1 – (Rf/R2) * Vinput2
= – (100/10) * 1 – (100/10) * 2
= – (10) * 1 – (10) * 2 = – 10 * – 20 = -30V.
De uitgangsspanning is -30 volt, wat een versterkte en som is van ingangssignalen na aanpassing van de weerstandswaarden. Verschillende factoren veranderen de output van een versterker, zoals; bandbreedteproduct, spanningstoevoer en laadeffecten verkrijgen. Het bovenstaande voorbeeld van een optelversterker geeft echter inzicht in de fundamentele rekenkunde en interactie van componenten die deze versterker aandrijven. Het proces van het optellen en versterken van signalen kan worden opgeschaald om verschillende signalen gezamenlijk te omvatten.
Voorbeeld2:
Wat zal de uitgangsspanning zijn voor het volgende optelversterkercircuit als drie audiosignalen deze versterker aansturen?
Voor elk kanaal in het bovenstaande circuit kunnen de spanningsversterkingen in de gesloten lus worden gemeten als;
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.
De o/p-spanning voor deze optelversterker kan worden gegeven als;
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.
Voordelen nadelen
De voordelen van het inverteren van een sommerende versterker omvatten het volgende.
- Het optelpunt in deze versterker ligt virtueel op aardpotentiaal en dus beïnvloeden zowel de instellingen als de signalen van elk afzonderlijk kanaal elkaar niet. Op deze manier wordt elk kanaal gemengd of opgeteld, afgezien van het signaalniveau, enz.
- Met deze versterker kunnen audio-experts signalen van verschillende kanalen samenvoegen en reproduceren in één track. Elke afzonderlijke audio-ingang wordt afzonderlijk geconfigureerd zonder de uitvoer te verstoren.
Dit soort versterker zorgt voor isolatie tussen de individuele ingangen en uitgangen vanwege de virtuele GND op het knooppunt.
De nadelen van het inverteren van een sommerende versterker omvatten het volgende.
- Het belangrijkste nadeel van een inverterende sommerende versterker is dat deze een vrij lagere versterking heeft in vergelijking met de niet-inverterend type .
- Deze versterker is gevoelig voor ruis, waardoor de signaal-ruisverhouding verslechtert en de precisie van het uitgangssignaal afneemt.
- De berekening van deze versterker wordt complex naarmate het aantal ingangen toeneemt.
- De inversie van de som in deze versterker kan in sommige gevallen niet wenselijk zijn.
Toepassingen
De inverterende sommerende versterkertoepassingen omvatten het volgende.
- Het inverteren van de optelversterker helpt bij het inverteren van de polariteitsfase (of fase) van het o/p-signaal van de versterker met het ingangssignaal.
- Dit is een zeer gespecialiseerde versterkerconfiguratie waarbij de ingangssignalen aan de uitgang worden opgeteld en omgekeerd.
- Dit type optelversterker wordt gebruikt voor het optellen van de signalen.
- Deze versterker wordt gebruikt voor het toevoegen van verschillende signalen met gelijkwaardige versterkingen in de audiomixer.
- Deze optelversterker wordt gebruikt om een DC-offsetspanning aan te leggen via een AC-signaalspanning.
- Het kan ook als aftrekker werken door eenvoudigweg een o/p-spanning te leveren die equivalent is aan de variatie van twee spanningen.
Dit is dus een overzicht van een inverterende versterker, circuits, werking, afleiding, voordelen, nadelen en toepassingen. De belangrijkste functie van deze versterker is het omkeren van de fase van het o/p-signaal. Deze versterkers hebben een lage uitgangsimpedantie, een hoge ingangsimpedantie en zeer flexibele circuitwaarden die eenvoudig kunnen worden aangepast om de versterking van elk ingangssignaal te verwerken.
De operationele versterker in de optelling versterkercircuit bepaalt zijn gedrag. De op-amp in deze versterker werkt in de spanningsvolger- of invertermodus. De vergelijking van deze versterker geeft eenvoudigweg de o/p-spanning aan die relatief is ten opzichte van de ingangsspanningen en de weerstanden in het circuit. Deze sommerende versterkers worden gebruikt in verschillende praktische toepassingen zoals; audiomixers, waar verschillende ingangssignalen worden samengevoegd tot één uitgang. Hier is een vraag voor u: wat is een niet-inverterende sommerende versterker?
