反相运算放大器的工作原理及应用特性

运算放大器的配置可以通过两种方式完成，即反相运算放大器和同相运算放大器。在这些配置中的任何一种当中，输出都会返回到其输入，这称为反馈。这种反馈用于不同的功能电路，如振荡器、滤波器、放大器、不同类型的稳压器、整流器等。

众所周知，运算放大器包括正负两个输入端子，但反馈的连接可以是正或负极端子。此前已经介绍过同相运算放大器的相关知识，本文重点介绍下反相运算放大器的工作原理及应用特性。

相运算放大器的基本概念

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。顾名思义，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相180°的输出，这意味着，如果输入信号为正 (+)，则输出信号将相反，反相运算放大器是通过带有两个电阻器的运算放大器设计的。

反相运算放大器电路和电压增益

反相运算放大器的电路图如下所示。在该电路中，负端通过反馈连接以创建闭环操作。在使用运算放大器时，需要记住两个基本规则，例如输入端没有电流流动，另一个是V1始终等于V2。

这是因为正输入端在接地时处于OV。在上述配置中，运算放大器通过使用反馈连接以创建闭环操作。在处理运算放大器时，要记住关于反相放大器的两条非常重要的规则，它们是“没有电流流入输入端”和“V1始终等于V2”。

然而，在实际运算放大器电路中，由于输入结和反馈信号'X'处于等电位，上述两个规则在一定程度上被打破。当正输入为零伏时，该结称为“虚拟接地”。因此，由于这个虚拟接地，运算放大器的输入电阻等于输入电阻值 (Rin)。

在这里，反相运算放大器的闭环增益可以通过两个外部电阻的比率来固定。一旦通过“Ri”电阻将输入信号施加到运算放大器的反相端子，非反相端子就会接地。此外，提供反馈以稳定电路。现在可以通过反馈电阻“Rf”控制输出。

在上述电路电路中，提供的电压增益为：Av = Vo / Vi

其中：Vi-V1 = IiRi，V1-V0 = IfRf

但是，完美的运算放大器包括无限的输入阻抗，因为没有电流流入其输入端子。I1=I2=0。因此，Ii 等价于If，所以有：

Vi-V1 = IfRi

V1-V0 = IfRf

众所周知，在一个完美的运算放大器中，运算放大器的两个输入端的电压总是相等的。因为同相端接地，所以出现在同相端的电压为V1 = V2= 0。所以，等式可以变换为：

Vi-0 = IfRi

0-Vo = IfRf

从上面的方程，可以得到：

-Vo / Vi = IfRf / IfRi

Vo / Vi = - (IfRf / IfRi)

Vo/Vi = – (Rf/Ri)

这样，可以改变这个方程得到Vout是：

Vout/Vi = – (Rf/Ri)

Vout = – (Rf/Ri) x Vin

反相运算放大器的电压增益为：

反相运算放大器增益(Av) = – (Rf/Ri)

这指定了反相放大器的电压增益可以通过“Rf”到“Ri”的分数来决定，包括表示反相相位的负号。此外，反相放大器的输入阻抗为“Ri”。

与直流放大器一样，这些放大器提供出色的线性特性，使其成为理想之选。此外，它们经常用于i/p电流更改为跨阻形式的o/p电压，否则为跨阻放大器形式。

输出电压 (Vout) 方程表明，对于放大器的固定增益，例如Vout =Vin x Gain，运算放大器电路是线性的。因此，此属性对于将较小的传感器信号更改为更好的电压非常有帮助。

反相运算放大器的电压特性

反相放大器的电压特性如下图所示，可以注意到，一旦输入信号如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。

一旦输入信号的幅度超过运算放大器的两个应用电源，此特性将饱和，否则输出将变得恒定，即：+VCC = + VSAT & –VCC = -VSAT

反相运算放大器波形

反相运算放大器的输入和输出波形如下图所示，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。

为什么反相运算放大器优于同相运算放大器？

在反相运算放大器中，失调电压包含在输出中，因此它小于几毫伏，而在同相运算放大器中，失调电压可以通过同相增益来改变，并且该电压再次为包含在输出电压中。

与非反相放大器相比，反相放大器为系统提供了额外的稳定性。在反相放大器中，使用了稳定系统始终需要的负反馈。

反相放大器的优势

• 比较便宜。
• 尺寸很小。
• 多功能性。
• 比较可靠。
• 灵活。
• 该运算放大器的两个输入端始终为零。此外，简单地存在差模信号。
• 带反相放大器的装置抗干扰能力强。
• 使用负反馈。
• 增益系数非常高。
• 该运算放大器的输出将与输入信号异相。

反相放大器的缺点

反相放大器的缺点主要包括以下几点内容：

• 具有小输入阻抗（等于r1）。
• 具有高增益，但必须保持反馈失真较小。
• 输入信号不应包含噪声，因为较小的值将在输出处相乘并获得。
• 信号反转。

反相运算放大器应用

反相放大器的应用主要包括以下几点内容：

• 可用作跨阻放大器，也称为跨阻放大器。该放大器用作电流电压转换器，用于功率较低的应用中。
• 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。
• 该运算放大器保持两个端子的电压相等，因此可用于许多领域。
• 反向运算放大器用于存在射频信号的混频器概念中。
• 可以用作移相器。
• 用于需要信号平衡的地方。
• 用于集成应用程序。
• 基于运放的反相电路更稳定；失真相当低，并提供出色的瞬态响应。
• 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。

总结

反相放大器主要用于不使用高i/p阻抗的高频应用，因为与非反相型配置相比，反相运算放大器的压摆率较高。

需要注意的是，运算放大器是用作模拟电子电路中的基本元件。因此被用于滤波、信号调理和执行不同的算术运算。在运算放大器的两个端子之间使用了不同的电子元件，用于放大所施加信号的电压电平。