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搞不懂反相运算放大器?不要错过这一文,计算公式 工作原理详解

 老头齐子双 2022-05-27 发布于辽宁

大家好,我是李工,创作不易,希望大家多多支持我。今天给大家分享的是反相运算放大器。

主要从以下几个方面进行分享:

什么是反相运算放大器?

反相运算放大器原理

反相运算放大器计算公式

反相运算放大器电压特性

反相运算放大器波形图

反相运算放大器计算案例

反相运算放大器怎么用?

什么是反相运算放大器?

反相运算放大器是使用负反馈连接的基本运算放大器电路配置,通俗易懂点来说也就是,放大器将输入信号反转并改变它。

反相运算放大器是一种运算放大器电路,用于产生与其输入相比反向180°的输出,意味着,如果输出信号为正(+),则输出信号将为负(-)。反相运算放大器是通过带有两个电阻的运算放大器设计的。

下图显示了理想反相放大器的电路图。输入通过电阻 R1 提供给反相输入端,非反相端接地。输出通过反馈电阻 Rf 反馈到反相输入端。

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反相运算放大器电路

反向运算放大器原理

下图显示了使用一个运算放大器和两个电阻构建的反相运算放大器。在这里,Ri 将输入信号施加到运算放大器的反相端,同相端接地。此外,反馈电阻 Rf 提供稳定电路所需的反馈,从而控制输出。

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反相运算放大器

关于反相运算放大器或任何运算放大器,有两个非常重要的规则是需要记住的:

没有电流流入输入端子

差分输入电压为零,V1 = V2 = 0(虚拟接地)

通过使用这两个规则,我们可以使用第一原理推导出计算反相运算放大器闭环增益的方程。如下图所示,电流 ( i ) 流过电阻网络。

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反相运算放大器

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反相运算放大器计算公式图

然后,反相运算放大器的闭环电压增益为:

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反相运算放大器闭环电压增益公式

转换一下,Vout为 :

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反相运算放大器输出电压公式

反相运算放大器计算公式

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具体的过程,在上面已经推导出来了。

反相运算放大器工作原理详解

反相放大器电路采用负反馈并产生相对于输入的反相输出。因此,反相放大器的增益表示为负值。

反相放大器的电压增益与运放开环增益无关,非常大。

反相放大器的电压增益取决于所使用的电阻值,因此可以通过适当地选择R1和RF的值来准确控制增益。

如果 Rf > R1,增益将大于 1。

如果 Rf < R1,增益将小于 1。

如果 Rf = R1,增益将为单位。

因此,输出电压的大小可以大于、小于或等于输入电压,并且相位相差 180°。

反相运算放大器工作原理-电压特性

反相运算放大器的电压特性如下图所示。可以注意到,一旦输入信号 Vin 为正,则输出电压如 Vout 为负。此外,一旦施加输入电压,输出电压将线性变化。

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反相运算放大器电压特性图

当输入信号幅度超过应用于运算放大器的正负电源时,特性曲线会饱和,或者换句话说,输出变为常数。

即 :+V CC = + V SAT和 -V CC = -V SAT

反相运算放大器工作原理-波形图

反相运算放大器的输入和输出波形如下所示。假设放大器的增益和正弦波是输入信号,可以绘制以下波形。从以下波形中可以清楚地看出,输出的幅度是输入的两倍,例如 Vout = Av * Vin 并且相位与输入相反。

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反相运算放大器波形

反相运算放大器计算公式案例

案例一:设计一个增益为 -10 且输入电阻等于 10kΩ 的反相放大器。

对于反相放大器,Av= – R f /R 1

因此,Rf = -Av x R1= – (-10) x 10 kΩ

Rf = 100 kΩ

案例二:在下图所示的电路中,R1 = 10 kΩ,Rf = 100 kΩ,Vin = 1V。25 kΩ 的负载连接到输出端。计算电流 i1,输出电压 Vout ,负载电流 iL 。

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反相运算放大器电路图

(i) 输入电流 i1

i1 = Vin / R1= 1 V / 10KΩ

i1 = 0.1 mA

(ii) 输出电压 Vout

V out = – (R f / R 1 ) * V in

= – (100kΩ/10kΩ) x 1 V

V out = – 10 V

(iii) 负载电流 iL:

i L = V out / R L

= 10 V / 25KΩ

i L = 0.4 mA

案例三:在下图中,显示了运算放大器配置,其中两个反馈电阻在运算放大器中提供必要的反馈。电阻R2是输入电阻,R1是反馈电阻。输入电阻R2的电阻值为1KΩ ,反馈电阻R1的电阻值为10KΩ。将计算运算放大器的反相增益。负端提供反馈,正端接地。

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反相运算放大器电路图

运算放大器电路的反相增益公式 :增益(Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)

在上述电路中,Rf = R1 = 10k 和 Rin = R2 = 1k

所以,增益(Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)增益(Av) = (Vout / Vin) = -(10k / 1k)

所以增益将是 -10 倍,输出将是 180 °异相。

现在,如果我们将运算放大器的增益增加到 -20 倍,如果输入电阻相同,反馈电阻的值将是多少?所以,

增益(Av)= -20 且 Rin = R2 = 1k。-20 = -(R1 / 1k) R1 = 20k

因此,如果我们将 10k 值增加到 20k,则运算放大器的增益将为 -20 倍。

我们可以通过改变电阻的比例来增加运算放大器的增益,但是,不建议使用较低的电阻作为 Rin 或 R2。由于较低的电阻值会降低输入阻抗并对输入信号产生负载。在典型情况下,输入电阻使用 4.7k 到 10k 的值。

当需要高增益并且我们应该确保输入中的高阻抗时,我们必须增加反馈电阻的值。但也不建议在 Rf 上使用非常高值的电阻。较高的反馈电阻会提供不稳定的增益裕度,并且对于有限带宽相关操作来说不是可行的选择。典型值 100k 或略高于反馈电阻器中使用的值。

我们还需要检查运算放大器电路的带宽,以便在高增益下可靠运行。

反相运算放大器怎么用?

反相运算放大器可用于各种地方,例如运算放大器求和放大器。

一、加法放大器或运算放大器加法器电路

在下图中,显示了一个求和放大器,其中一个反相运算放大器在其反相端子上混合了几个不同的信号。反相放大器输入实际上处于地电位,这在混音相关工作中提供了出色的混音器相关应用。

如下图所示,不同的信号使用不同的输入电阻在负极端子上加在一起。可以添加的不同信号输入的数量没有限制。每个不同信号端口的增益由反馈电阻 R2 与特定通道的输入电阻的比值决定。

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运算放大器加法器电路

二、跨阻放大器电路

运算放大器反相放大器的另一种用途是将放大器用作跨阻抗放大器。

在这样的电路中,运算放大器将非常低的输入电流转换为相应的输出电压。因此,跨阻抗放大器将电流转换为电压。

它可以转换来自光电二极管、加速度计或其他产生低电流的传感器的电流,并使用跨阻抗放大器将电流转换为电压。

文章图片13

跨阻放大器电路

在上图中,反相运算放大器用于制造跨阻抗放大器,它将光电二极管产生的电流转换为电压。该放大器在光电二极管上提供低阻抗,并与运算放大器输出电压隔离。

在上述电路中,仅使用了一个反馈电阻。R1 是高值反馈电阻。我们可以通过改变这个 R1 电阻的值来改变增益。运算放大器的高增益使用稳定条件,其中光电二极管电流等于通过电阻器 R1 的反馈电流。

由于我们没有在光电二极管上提供任何外部偏置,因此光电二极管的输入失调电压非常低,从而在没有任何输出失调电压的情况下产生很大的电压增益。光电二极管的电流将转换为高输出电压。

三、反相运算放大器的其他应用

移相器

积分器

在信号平衡相关工作中

线性射频混频器

各种传感器使用反相运算放大器作为输出

当任何系统设计有不同类型的传感器时,在输出级使用反相放大器

用于需要信号平衡的地方。

放大器用于每个使用线性 IC 的电子设备

用于模拟滤波和信号处理

用于各种领域,如通信、过程控制、显示器、计算机、测量系统、电源和信号源

适用于线性运算放大器应用 

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