反相運(yùn)算放大器電路分析

運(yùn)算放大器的開環(huán)增益（Avo）可能非常高，高達(dá)1000000（120dB）或更高。但是，這種非常高的增益對(duì)我們來(lái)說(shuō)并沒(méi)有實(shí)際用處，因?yàn)樗?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器既不穩(wěn)定又難以控制，因?yàn)樽钚〉妮斎?a target="_blank">信號(hào)，僅幾個(gè)微伏（μV）就足以使輸出電壓達(dá)到飽和并向一個(gè)或另一個(gè)供電軌擺動(dòng)，從而失去對(duì)輸出的完全控制。

由于運(yùn)算放大器的開環(huán)直流增益非常高，因此我們可以通過(guò)在放大器的輸出端與反向輸入端之間連接一個(gè)合適的電阻來(lái)降低和控制總增益，從而損失掉部分高增益放大器的

然后，這產(chǎn)生了通常稱為負(fù)反饋的效果，因此產(chǎn)生了一個(gè)非常穩(wěn)定的基于運(yùn)算放大器的系統(tǒng)。

負(fù)反饋是將一部分輸出信號(hào)“反饋”回輸入的過(guò)程，但是要使反饋為負(fù)，我們必須使用外部將其反饋到運(yùn)算放大器的負(fù)或“反相輸入”端子。反饋電阻稱為Rf。輸出和反相輸入端子之間的這種反饋連接迫使差分輸入電壓趨于零。

這種效應(yīng)為放大器產(chǎn)生了一個(gè)閉環(huán)電路，導(dǎo)致放大器的增益為閉環(huán)增益。然后，閉環(huán)反相放大器使用負(fù)反饋來(lái)精確控制放大器的整體增益，但它是以降低放大器增益為代價(jià)的。

這種負(fù)反饋會(huì)導(dǎo)致反相輸入端子上的信號(hào)與實(shí)際輸入電壓不同，因?yàn)樗鼘⑹禽斎腚妷号c負(fù)反饋電壓之和，從而給它加上了求和點(diǎn)或總和項(xiàng)。因此，我們必須通過(guò)使用分開的反相輸入端的真實(shí)輸入信號(hào)輸入電阻器。

由于我們沒(méi)有使用正向同相輸入，因此將其連接到公共接地或零電壓端子，如下所示，但是這種閉環(huán)反饋電路的作用導(dǎo)致反相輸入端的電勢(shì)等于交流輸入端的電勢(shì)。同相輸入產(chǎn)生一個(gè)虛擬接地求和點(diǎn)，因?yàn)樗碾娢慌c接地參考輸入相同。換句話說(shuō)，運(yùn)算放大器變成了“差分放大器”。

反相運(yùn)算放大器電路

在此反相放大器電路中，運(yùn)算放大器與反饋相連，以產(chǎn)生閉環(huán)操作。在處理運(yùn)算放大器時(shí)，要記住兩個(gè)非常重要的反相放大器規(guī)則：“無(wú)電流流入輸入端子”和“

V1始終等于V2”。但是，在實(shí)際的運(yùn)算放大器電路中，這兩個(gè)規(guī)則都被稍微打破了。

這是因?yàn)檩斎牒头答佇盘?hào)（X ）的結(jié)點(diǎn) 與正（+ ）輸入的電位相同，

后者為零伏或接地，因此該結(jié)點(diǎn)是“虛擬接地”。由于存在這個(gè)虛擬接地節(jié)點(diǎn)，因此放大器的輸入電阻等于輸入電阻的值Rin，并且反相放大器的閉環(huán)增益可以通過(guò)兩個(gè)外部電阻的比值來(lái)設(shè)置。

上面我們說(shuō)過(guò)，關(guān)于反相放大器或與此相關(guān)的任何運(yùn)算放大器，要記住兩個(gè)非常重要的規(guī)則。

（1）無(wú)電流流入輸入端子。

（2）當(dāng)V1 = V2 = 0時(shí)，差分輸入電壓為零（虛擬接地）。

然后，通過(guò)使用這兩個(gè)規(guī)則，我們可以使用第一原理導(dǎo)出用于計(jì)算反相放大器的閉環(huán)增益的方程式。

如圖所示，電流（i）流經(jīng)電阻器網(wǎng)絡(luò)。

然后，給出反相放大器的閉環(huán)電壓增益。

可以將其轉(zhuǎn)換為Vout：

等式中的負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)相對(duì)于輸入反相，因?yàn)樗南辔徊顬?80 o。這是由于反饋的值為負(fù)。

輸出電壓Vout的等式還表明，對(duì)于固定的放大器增益，當(dāng)Vout = Vin x

Gain時(shí)，電路本質(zhì)上是線性的。該屬性對(duì)于將較小的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為較大的電壓非常有用。

反相放大器的另一個(gè)有用應(yīng)用是“跨阻放大器”電路。甲跨阻放大器也被稱為“跨阻放大器”，基本上是（“in”和電壓“出”電流）的電流-電壓轉(zhuǎn)換器。它們可用于低功率應(yīng)用中，以將由光電二極管或光電檢測(cè)設(shè)備等產(chǎn)生的很小電流轉(zhuǎn)換成與輸入電流成比例的可用輸出電壓，如圖所示。

跨阻放大器電路

上面的簡(jiǎn)單光激活電路將光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓。反饋電阻Rf設(shè)置反相輸入端的工作電壓點(diǎn)并控制輸出量。輸出電壓為Vout = I s

xRf。因此，輸出電壓與光電二極管產(chǎn)生的輸入電流成正比。

反相運(yùn)算放大器示例1：

以下為反相放大器電路的閉環(huán)增益。

使用先前的公式獲得電路增益：

我們現(xiàn)在可以如下替換電路中電阻的值，

Rin =10kΩ 和 Rf=100kΩ

電路的增益計(jì)算為：-Rf/ Rin = 100k / 10k = -10

因此，上述反相放大器電路的閉環(huán)增益為-10或20dB（20log（10））。

反相運(yùn)算放大器示例2：

將原始電路的增益增加到40（32dB），找到所需電阻的新值。

假設(shè)輸入電阻保持在10KΩ的相同值，那么通過(guò)重新安排閉環(huán)電壓增益公式，我們可以找到反饋電阻Rf所需的新值。

增益=Rf/ Rin

因此，Rf=增益x Rin

Rf= 40 x 10000

Rf= 400000或400KΩ

該電路的增益為40所需的新電阻值為：Rin =10KΩ 和 Rf=400KΩ。

我們還可以重新安排公式以提供新的Rin值，并保持Rf的值不變。

關(guān)于運(yùn)算放大器的反相放大器配置，需要注意的最后一點(diǎn)是，如果兩個(gè)電阻的值相等，Rin

=Rf，則放大器的增益將為-1，從而在其輸出上產(chǎn)生互補(bǔ)形式的輸入電壓，即Vout =

-Vin。這種類型的反相放大器配置通常稱為簡(jiǎn)單的反相緩沖器的單位增益反相器。