大傢好，我是李工，創作不易，希望大傢多多支持我。今天給大傢分享的是反相運算放大器。
主要從以下幾個方面進行分享：
- 什麼是反相運算放大器？
- 反相運算放大器原理
- 反相運算放大器計算公式
- 反相運算放大器電壓特性
- 反相運算放大器波形圖
- 反相運算放大器計算案例
- 反相運算放大器怎麼用？
一、什麼是反相運算放大器？
反相運算放大器是使用負反饋連接的基本運算放大器電路配置，通俗易懂點來說也就是，放大器將輸入信號反轉並改變它。
反相運算放大器是一種運算放大器電路，用於產生與其輸入相比反向180°的輸出，意味著，如果輸出信號為正（+），則輸出信號將為負（-）。反相運算放大器是通過帶有兩個電阻的運算放大器設計的。
下圖顯示瞭理想反相放大器的電路圖。輸入通過電阻 R1 提供給反相輸入端，非反相端接地。輸出通過反饋電阻 Rf 反饋到反相輸入端。
反相運算放大器電路
二、反向運算放大器原理
下圖顯示瞭使用一個運算放大器和兩個電阻構建的反相運算放大器。在這裡，Ri 將輸入信號施加到運算放大器的反相端，同相端接地。此外，反饋電阻 Rf 提供穩定電路所需的反饋，從而控制輸出。
反相運算放大器
關於反相運算放大器或任何運算放大器，有兩個非常重要的規則是需要記住的：
- 沒有電流流入輸入端子
- 差分輸入電壓為零，V1 = V2 = 0（虛擬接地）
通過使用這兩個規則，我們可以使用第一原理推導出計算反相運算放大器閉環增益的方程。如下圖所示，電流 ( i ) 流過電阻網絡。
反相運算放大器
反相運算放大器計算公式圖
然後，反相運算放大器的閉環電壓增益為：
反相運算放大器閉環電壓增益公式
轉換一下，Vout為 ：
反相運算放大器輸出電壓公式
反相運算放大器計算公式
反相運算放大器計算公式
具體的過程，在上面已經推導出來瞭。
三、反相運算放大器工作原理詳解
- 反相放大器電路采用負反饋並產生相對於輸入的反相輸出。因此，反相放大器的增益表示為負值。
- 反相放大器的電壓增益與運放開環增益無關，非常大。
- 反相放大器的電壓增益取決於所使用的電阻值，因此可以通過適當地選擇R1和RF的值來準確控制增益。
- 如果 Rf > R1，增益將大於 1。
- 如果 Rf < R1，增益將小於 1。
- 如果 Rf = R1，增益將為單位。
- 因此，輸出電壓的大小可以大於、小於或等於輸入電壓，並且相位相差 180°。
四、反相運算放大器工作原理
1、電壓特性
反相運算放大器的電壓特性如下圖所示。可以註意到，一旦輸入信號 Vin 為正，則輸出電壓如 Vout 為負。此外，一旦施加輸入電壓，輸出電壓將線性變化。
反相運算放大器電壓特性圖
當輸入信號幅度超過應用於運算放大器的正負電源時，特性曲線會飽和，或者換句話說，輸出變為常數。
即 ：+V CC = + V SAT和 -V CC = -V SAT
2、波形圖
反相運算放大器的輸入和輸出波形如下所示。假設放大器的增益和正弦波是輸入信號，可以繪制以下波形。從以下波形中可以清楚地看出，輸出的幅度是輸入的兩倍，例如 Vout = Av * Vin 並且相位與輸入相反。
反相運算放大器波形
五、反相運算放大器計算公式案例
1、案例一
設計一個增益為 -10 且輸入電阻等於 10kΩ 的反相放大器。
對於反相放大器，Av= – R f /R 1
因此，Rf = -Av x R1= – (-10) x 10 kΩ
Rf = 100 kΩ
2、案例二
在下圖所示的電路中，R1 = 10 kΩ，Rf = 100 kΩ，Vin = 1V。25 kΩ 的負載連接到輸出端。計算電流 i1，輸出電壓 Vout ，負載電流 iL 。
反相運算放大器電路圖
(i) 輸入電流 i1
i1 = Vin / R1= 1 V / 10KΩ
i1 = 0.1 mA
(ii) 輸出電壓 Vout
V out = – (R f / R 1 ) * V in
= – (100kΩ/10kΩ) x 1 V
V out = – 10 V
(iii) 負載電流 iL：
i L = V out / R L
= 10 V / 25KΩ
i L = 0.4 mA
3、案例三
在下圖中，顯示瞭運算放大器配置，其中兩個反饋電阻在運算放大器中提供必要的反饋。電阻R2是輸入電阻，R1是反饋電阻。輸入電阻R2的電阻值為1KΩ ，反饋電阻R1的電阻值為10KΩ。將計算運算放大器的反相增益。負端提供反饋，正端接地。
反相運算放大器電路圖
運算放大器電路的反相增益公式 ：增益(Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)
在上述電路中，Rf = R1 = 10k 和 Rin = R2 = 1k
所以，增益(Av) = (Vout / Vin) = -(Rf / Rin)增益(Av) = (Vout / Vin) = -(10k / 1k)
所以增益將是 -10 倍，輸出將是 180 °異相。
現在，如果我們將運算放大器的增益增加到 -20 倍，如果輸入電阻相同，反饋電阻的值將是多少？所以，
增益(Av)= -20 且 Rin = R2 = 1k。-20 = -(R1 / 1k) R1 = 20k
因此，如果我們將 10k 值增加到 20k，則運算放大器的增益將為 -20 倍。
我們可以通過改變電阻的比例來增加運算放大器的增益，但是，不建議使用較低的電阻作為 Rin 或 R2。由於較低的電阻值會降低輸入阻抗並對輸入信號產生負載。在典型情況下，輸入電阻使用 4.7k 到 10k 的值。
當需要高增益並且我們應該確保輸入中的高阻抗時，我們必須增加反饋電阻的值。但也不建議在 Rf 上使用非常高值的電阻。較高的反饋電阻會提供不穩定的增益裕度，並且對於有限帶寬相關操作來說不是可行的選擇。典型值 100k 或略高於反饋電阻器中使用的值。
我們還需要檢查運算放大器電路的帶寬，以便在高增益下可靠運行。
六、反相運算放大器怎麼用？
反相運算放大器可用於各種地方，例如運算放大器求和放大器。
1、加法放大器或運算放大器加法器電路
在下圖中，顯示瞭一個求和放大器，其中一個反相運算放大器在其反相端子上混合瞭幾個不同的信號。反相放大器輸入實際上處於地電位，這在混音相關工作中提供瞭出色的混音器相關應用。
如下圖所示，不同的信號使用不同的輸入電阻在負極端子上加在一起。可以添加的不同信號輸入的數量沒有限制。每個不同信號端口的增益由反饋電阻 R2 與特定通道的輸入電阻的比值決定。
2、跨阻放大器電路
運算放大器反相放大器的另一種用途是將放大器用作跨阻抗放大器。
在這樣的電路中，運算放大器將非常低的輸入電流轉換為相應的輸出電壓。因此，跨阻抗放大器將電流轉換為電壓。
它可以轉換來自光電二極管、加速度計或其他產生低電流的傳感器的電流，並使用跨阻抗放大器將電流轉換為電壓。
跨阻放大器電路
在上圖中，反相運算放大器用於制造跨阻抗放大器，它將光電二極管產生的電流轉換為電壓。該放大器在光電二極管上提供低阻抗，並與運算放大器輸出電壓隔離。
在上述電路中，僅使用瞭一個反饋電阻。R1 是高值反饋電阻。我們可以通過改變這個 R1 電阻的值來改變增益。運算放大器的高增益使用穩定條件，其中光電二極管電流等於通過電阻器 R1 的反饋電流。
由於我們沒有在光電二極管上提供任何外部偏置，因此光電二極管的輸入失調電壓非常低，從而在沒有任何輸出失調電壓的情況下產生很大的電壓增益。光電二極管的電流將轉換為高輸出電壓。
3、反相運算放大器的其他應用
- 移相器
- 積分器
- 在信號平衡相關工作中
- 線性射頻混頻器
- 各種傳感器使用反相運算放大器作為輸出
- 當任何系統設計有不同類型的傳感器時，在輸出級使用反相放大器
- 用於需要信號平衡的地方。
- 放大器用於每個使用線性 IC 的電子設備
- 用於模擬濾波和信號處理
- 用於各種領域，如通信、過程控制、顯示器、計算機、測量系統、電源和信號源
- 適用於線性運算放大器應用
