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反相放大器使用電流平衡

計算增益、輸入電阻與中間電源軌參考下的輸出。

流過兩個電阻的電流

輸入經 Rin 接到 V−,輸出經 Rf 接到 V−,V+ 接到參考電壓 Vref。假設輸入電流可忽略,迴路穩定且未飽和。則 V− ≈ Vref,反相節點的 KCL 為 (Vin−Vref)/Rin+(Vo−Vref)/Rf=0(V_{in}-V_{ref})/R_{in}+(V_o-V_{ref})/R_f=0。整理得 Vo=Vref−(Rf/Rin)(Vin−Vref)V_o=V_{ref}-(R_f/R_{in})(V_{in}-V_{ref})。

雙電源範例中,Vref = 0、Rin = 10 kΩ、Rf = 40 kΩ、Vin = 0.2 V 時,輸出為 −0.8 V。輸入電流為 20 μA。輸入電阻約為 Rin,因此高源電阻感測器會受到負載影響。虛地不是實體接地連接:回授讓節點接近接地,同時電阻電流流入與流出。

單電源範例

假設使用 3.3 V 電源,採 Vref = 1.65 V 與相同比值 4。Vin = 1.75 V 時,輸出為 1.25 V。Vin = 1.55 V 時,輸出為 2.05 V。放大器反轉參考附近的偏差,不會產生電源無法支援的負絕對輸出電壓。

若輸入相對 Vref 增加 +0.5 V,要求輸出 −0.35 V,電路便無法在此電源下滿足理想方程式。宣告設計完成前,檢查輸出擺幅、輸入共模範圍與所需負載電流。

參考品質會進入訊號

改寫方程式得 Vo=(1+Rf/Rin)Vref−(Rf/Rin)VinV_o=(1+R_f/R_{in})V_{ref}-(R_f/R_{in})V_{in}。比值 4 時,若 Vin 的絕對電壓不變,參考偏移 1 mV 會產生輸出偏移 5 mV。因此參考雜訊與漂移有影響。若感測器與放大器共用追蹤參考,應分析相關性,而非自動將兩者的參考貢獻視為獨立。

分別記錄訊號增益 −4 與雜訊增益 5。後者影響補償式電壓回授運算放大器的頻寬估計。同一電阻比用於兩種相關但不同的計算。

自己試試看

Vref = 1.65 V、Rin = 10 kΩ、Rf = 20 kΩ、Vin = 1.80 V 時,預測輸出。

查看解說

Vo = 1.65 − 2(1.80 − 1.65) = 1.35 V。訊號增益為 −2,雜訊增益為 3;假設的線性迴路仍須檢查輸出與共模限制。

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