Tricky Circuit

反相运算放大器

放大信号并翻转它

Op amp 是 operational amplifier 的简称,即运算放大器:需要供电,放大两个输入的电压差。负反馈把输出送回减法输入。反相会改变信号符号;增益是输出电压与输入电压的比值。削顶表示所要求的输出超出电源界限。 Av 标记线性电压增益,单位 V/V:削顶之前每一伏输入对应的输出伏数。

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改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。

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工作原理

理想放大器使用 +5 V 和 −5 V 电源,输出限制在这两条电源轨。省略带宽、速度与电流限制。真实器件还有其他限制;模型未经实物测试。

所要求的 Vout = −Vin × Rf/Rin。Vin 是输入电压,Rf 是反馈电阻,Rin 是输入电阻。在线性负反馈区,减法输入接近 0 V,称为虚地,并非导线连接的地。削顶时这个近似失效。 输入电流表显示电源通过 Rin 的电流,并非流入理想运放引脚的电流,后者为零。削顶时 Iin = (Vin − Vout)/(Rin + Rf),使用实际 Vout。

难度
  1. 搭建 · 观察

    通电,输入 +1 V、输入电阻 10 kΩ、反馈电阻 20 kΩ。读出输出 −2 V。

    需要提示?

    +1 V; Rin 10 kΩ; Rf 20 kΩ → −2 V

  2. 探索 · 调整

    输入 +0.5 V 时,不发生削顶,得到 −1.9 到 −2.1 V 的输出。

    需要提示?

    +0.5 V; Rin 10 kΩ; Rf 40 kΩ → −2 V

  3. 独立解题 · 发现界限

    输入 +1 V 时,选择电阻使所要求的增益绝对值至少为 6。观察输出被限制在 −5 V。

    需要提示?

    +1 V; Rin 5 kΩ; Rf 30 kΩ → 要求 −6 V, 实际 −5 V

延伸阅读与电路配方

放大信号并翻转它

实用关联

两只电阻都加倍,增益不变;在线性区,输入电流减半。

意外细节

输出能量来自放大器电源。电阻设定增益,并不提供那份能量。

值得避开的误区

虚地只存在于合适的线性负反馈条件下。已削顶的放大器不能把减法输入保持在 0 V。

Rf 加倍,Rin 不变,并且没有削顶。增益绝对值…

  1. 减半
  2. 加倍
  3. 不变
延伸阅读

增益绝对值为 Rf/Rin,只把 Rf 加倍就使它加倍。

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