反相运算放大器

介绍

运算放大器可以配置为各种功能电路,如放大器,振荡器,稳压器,滤波器,整流器等。大多数这些电路配置要求运放输出被接回其输入。

这种从输出到输入的连接称为“反馈”。由于运放有两个输入端子,正的和负的,在一个运放的反馈连接可以是正反馈或负反馈。如果输出连接到运放的非反相端,则称反馈为正,如果输出连接到反相输入,则称反馈为负。输出通过一个称为反馈电阻(R)的外部电阻反馈到运放的输入端f)。反馈连接提供了一种精确控制运放增益的方法,这取决于应用。

反相放大器是一种重要的运放电路结构,它采用负反馈连接。一个反相放大器,就像它的名字暗示的那样,反相输入信号以及放大它。一个正向信号在一个反向放大器的输入将导致一个负向信号在输出,反之亦然。输入端的交流正弦信号将产生180o在输出处的相位正弦信号中。

上图是一个理想的反相放大器的电路图。输入端通过电阻R1提供给反相输入端,非反相端接地。输出通过反馈电阻R反馈到反相输入f

当在反相输入端(晶体管Q2基极)施加正向电压时,Q2集电极端的电流增加,RC上的电压降也增加。由于非反相输入端(Q1基极)接地,这种效应导致输出电压较低。不论施加的输入电压如何,Q2的基极将被负反馈拉到地平面。因此,当应用Vin时,输出Vout变为使反相输入端保持在地电平的电平。因此,这种电路配置中的反向输入端称为虚地。由于虚地,电阻R1和Rf的结始终保持在地水平。忽略流入运放电路的小偏置电流,电流I流过电阻R1和Rf。输入输出电压可计算为:

vin = i.r1.

Vout = -I。射频

闭环电压增益为ACL = Vout / Vin = -I。射频/ I.R1

反相运算放大器的电压增益

逆变运放的闭环电压增益为

ACL = Vout / Vin = - (Rf / R1)

闭环增益方程的负号表明,输出相对于应用的输入是反向的。

在实际的反相放大器中,非反相输入不直接接地。它应该用一个与R1相同的电阻接地,以保持输入电流相等。当输入电压为零伏时,输出电压为零伏(或接近零伏)的可能性更大。

注意:

在反相放大器电路中,如果电阻R1和Rf的幅值相等,那么反相放大器的增益将为-1,产生的输出是应用输入的补充,Vout = - Vin。这种类型的反相放大器配置通常被称为单位增益逆变器或简单的反相缓冲。

反相放大器电压特性

运算放大器的电压特性或转移曲线如图所示。可以看出,当输入信号VIN为正时,输出VOUT为负,反之亦然。此外,输出随输入的应用而线性变化。当输入信号幅值超过应用于运算放大器的正、负电源时,特性曲线饱和,或换句话说,输出变成一个常数。

例如+ VCC= + V和- vCC= - v

反相运算放大器的例子

1.设计一个增益为-10,输入电阻为10kΩ的反相放大器。

给出了放大器增益和输入电阻的值。

我们知道对于一个反相放大器,ACLR = -f/ R1

因此,Rf= -CLx R1

= - (-10) x 10 kΩ

Rf= 100 kΩ

2.在如下电路中,R1 = 10 kΩ, Rf = 100 kΩ, Vin = 1V。负载25 kΩ连接到输出端。计算,

  • 当前我1
  • 输出电压V
  • 负载电流我l

输入电流i1

i1 = Vin / R1

= 1 V / 10k Ω

i1 = 0.1 mA

(ii)输出电压Vout

V= - (Rf/ R1) * V

= - (100kΩ/10kΩ) x 1 V

V= - 10v

(iii)负载电流iL:

l= V/ Rl

= 10 V / 25kΩ

l马= 0.4

Trans-Impedance放大器

跨阻抗放大器是一种简单的电路,它将输入电流转换为输出端相应的电压,即电流电压转换器。跨阻抗放大器可用于将光电二极管、光电探测器、加速度计和其他类型的传感器的电流输出放大到可用的电压值。跨阻抗放大器为光电二极管提供低阻抗,并将其与运放的输出电压隔离。

最简单的跨阻抗放大器将有一个值非常大的反馈电阻。放大器的增益取决于这个电阻。根据应用的不同,跨阻抗放大器可以以不同的方式配置。所有这些不同的配置将传感器的低电平电流转换为显著的电压水平。增益、带宽和电压/电流偏置值随传感器类型的不同而变化。

直流操作

上图是一个基本的跨阻抗放大器的电路图。所述光电二极管连接到所述反相输入端。非反相输入端接地。这为光电二极管提供了一个低阻抗负载,使光电二极管的电压保持在低水平。运放的高增益使光电二极管的电流等于通过射频的反馈电流。由于光电二极管在这个电路中没有外部偏置,由于光电二极管的输入偏置电压很低。这允许一个大的电压增益,而没有任何显著的输出偏置电压。

可以注意到

-我p= V/ Rf

例如V/我p= - rf

上式为跨阻抗放大器的直流增益和低频增益。如果增益很大,在运放的非反相输入端的任何输入偏置电压都会导致输出偏置电压。为了减少这些影响,跨阻抗放大器通常在运放输入端设计fet,这具有非常低的输入偏置电压。

跨阻抗放大器的频率响应与反馈电阻Rf设置的增益成反比。在这些放大器中使用的传感器通常有比运算放大器所能处理的更多的电容。通过运放的输入端子的这个电容以及运放的内部电容,在反馈路径中引入一个低通滤波器。该滤波器的低通滤波器响应可以表征为反馈因子β,它衰减反馈信号。

当考虑此低通滤波器的影响时,就得到了电路的响应方程

V= - 1 p。Rf) / (1 + (1/ a .)OLβ)}

其中AOL为运放开环增益。

在低频下,反馈因子β对放大器响应几乎没有影响。放大器响应将接近理想值,只要开环增益(aOLβ)比团结更重要。

反相放大器的总结

  • 反相放大器电路采用负反馈并产生相对于输入的反向输出。因此,反相放大器的增益表示为负。
  • 反相放大器的电压增益与运放开环增益无关,运放开环增益非常大。
  • 逆变放大器的电压增益取决于所使用的电阻值,因此可以通过选择R1和Rf的值来精确控制增益。
  • 如果Rf > R1,增益将大于1。
  • 如果Rf < R1,增益将小于1。
  • 如果Rf = R1,增益为单位。
  • 因此,输出电压可以大于、小于或等于输入电压的幅值和180o的相位差。

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