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CR · 运算放大器

反相放大器与虚地

把同相输入端接地,这一个选择就让反相输入端变成一个不动的 0V 参考点。本单元学习如何利用这个虚地,用电阻比干净利落地确定增益。

虚地把增益变成电阻比

图中 + 输入端接地,输入 Vin 经过 Rin 进入 − 输入端。改变反馈电阻比 Rf/Rin,输出就是输入的 −(Rf/Rin) 倍,输出端箭头的长度表示它的大小。调节电阻比,使输出在符号反转的同时大小恰好为 4 倍,即增益为 −4,箭头碰到目标标记。

反馈比 Rf/RinRf/Rin = 1.0
电压增益 G
G = −Rf/Rin = -1.0
离 −4 很远

把同相输入接地

把同相输入端 V+ 直接接到 0V 地。加了负反馈的理想运放会让两个输入相等(虚短),所以反相输入端 V− 也是 0V。但 V− 并没有接到真正的地线上,只是运放调整输出把它稳定在 0V 而已,所以叫作虚地。它的电位是 0,却不能像真正的地那样随意吞下电流。

电流只能流向反馈

输入电压 Vin 通过输入电阻 Rin 流向虚地。V− 为 0V,所以 Rin 上的电压就是全部的 Vin,输入电流为 Vin/Rin。这个电流进不了运放的输入端(输入电阻无穷大),只能流过反馈电阻 Rf。Rf 中流过同样的电流,且其一端为 0V,所以输出为 0 − (Vin/Rin)·Rf = −(Rf/Rin)·Vin。

符号反转与求和随之而来

增益 −Rf/Rin 中的负号,表示输出与输入反向摆动:输入上升,输出就下降。虚地真正的威力在有多个输入时显现出来。让每个输入各经自己的电阻汇集到同一个虚地节点,电流就在该节点相加,输出成为加权和 −(R_f/R_1·V_1 + R_f/R_2·V_2 + …)。这就是模拟加法器。

观察V+ = 0 → V− = 0
V+ 接地,所以 V− 也为0V。
选择i = Vin / ?
因为是虚地,输入电压全部加在 Rin 上。
填空G = ?
增益是电阻比的负值。
自己来Rf = Rin → G = ?
两个电阻相等时,只有符号反转。

回到第一屏

改变反馈比时,输出增大到输入的 −(Rf/Rin) 倍,在 Rf/Rin = 4 处恰好为 −4。把同相输入端接地这一个选择,把反相输入端稳在 0V 的虚地上;无处可去的输入电流流过反馈支路,用电阻比干净利落地确定了增益。符号反转并不是损失,而是同一结构发展成加法器的种子。

反相放大器是把同相输入端接地,利用虚短让反相输入端成为 0V 的电路。这个节点叫作虚地。输入电流 Vin/Rin 全部流过反馈电阻 Rf,所以输出为 Vout = −(Rf/Rin)·Vin,增益为 −Rf/Rin。符号反转;把多个输入汇集到这个节点,就成为输出加权和的加法器。