高增益反相比例放大器设计(一)

【任务】设计一个反相比例放大器，放大倍数为200，输入电阻Ri为200k(与前级电路阻抗匹配)，输入电压ui为0~±50mV直流。

【构思】最直接的想法是根据运放的虚短虚断原理，构建输入输出反相比例放大关系式：A=uo/ui=-Rf/Ri，使用uA741运放。

一. 确定运放电源电压

最大输入电压为50mV，放大倍数A=200，输出最大电压为200*50*10^(-3)=10V，运放的电源电压必须必最大的输出电压10V大，而且输出电压有正负，所以选择典型的±15V作为运放的电源。

二. 构建反相比例放大器

观察式子 A=uo/ui=-Rf/Ri，发现它与电阻分压公式很像，只是多了一个负号而已。基本的电阻分压电路如下：

遗憾的是，上面的电阻分压电路关系式为：uo/ui=Rf/(Ri+Rf)，没有负号，分母也不对。怎么办?我们不妨试错碰碰运气，挪一挪接地点的位置，比如变成下面的电路：

试算一下上图的关系，因为串联电阻的电流相等(显然接地点电位为0)，所以(ui-0)/Ri=(0-uo)/Rf，稍作变化就得到：uo/ui=-Rf/Ri，这与前面的设计要求不谋而合，运气不错!

设计到此就完结了吗?不是!电阻分压电路的最大缺陷是输入阻抗太小(这会影响前级电路的驱动能力)，而且输入与输出会共变共扰。基于以上缺点，我们必须在输入信号ui与输出信号uo之间加入一个高阻抗，而且有信号放大能力的器件，运放是首选(以uA741为例，前面已确定采用±15V电源)：

怎样融合上面两个电路，这样花点心思。首先要明白：负反馈可以获得稳定的放大倍数(正反馈不能)，所以Rf必须跨接在输入端与输出端，而且输入端必须接反相端，也就是说：输出信号的变化方向与反相输入端的变化方向相反，一个增加则另一个减小，一个减小则另一个增加。

上面已说过，输入信号ui必须接到反相端，而且输入电阻为Ri，输出uo当然是运放的输出：

因为Ri与Rf的连接处须接地，而运放有虚短的特性(虽然与GND同电位，但阻抗极高)，所以运放的同相端接地在电位上与在反相端接地是等效的：

再次重申：虽然运放2,3脚与GND等电位，但是2,3脚之间有很大的阻抗，这与等电位的绝缘体类似。

构思到这里，上面的电路依然有缺陷：即使当ui=0时，由于同相与反相输入的外部电路不对称，uo依然不为0，这会给后级电路带来麻烦。因此，必须使“零输入零输出”，可在同相端接入一个电阻(称为平衡电阻Rp):

关于平衡电阻Rp的计算，请看下回分解。

(未完待续)