2.2.3　反相输入放大电路的应用实例

1.反相输入放大电路功能测试

【例2.1】 如图2-5所示是采用LM324集成运算放大器构成的反相输入放大电路，电源电压为±12V。图中 R ₁ = R ₂ =10kΩ， R _F =100kΩ，根据反相输入放大电路输入与输出电压公式，可知电路放大倍数为-10。从 u _I 处输入信号，从 u _O 处输出信号。

首先，给 u _I 加直流电压信号，如所加信号为1V，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，如图2-6所示。图中最上面的黑线是1V电压输入线，最下面的红线是-10V电压输出线。由图可见，所加信号为1V直流信号时，输出是-10V直流信号，电路放大倍数为-10。接下来每加一种直流电压信号，就看一次输出结果，可以得出如下结论：当输入电压太小（小于100mV）或太大（大于1150mV）时，电路就不能按给定的放大倍数（-10）不失真地放大输入电压。

其次，给 u _I 加交流电压信号，如所加入幅度为1.2V、频率为1kHz的交流信号，用Proteus图形仿真功能，可以绘出电路的输入/输出关系图，如图2-7所示。由图可见，图中的黑线是1.2V交流电压输入线，红线是放大了的电压输出线。图中黑线和红线相位相反，且红线上下顶部被削去，表明波形已失真。由幅度小到大地加入交流信号，逐一检查输出情形，就可得出和加入直流信号时相同的结论，即：当输入电压太小（小于100mV）或太大（大于1150mV）时，电路就不能按给定的放大倍数（-10）不失真地放大输入电压。

说明： 这里所说的输入电压范围是针对LM324集成运算放大器构成的反相输入放大电路而言的，其他型号的集成运算放大器构成的反相输入放大电路的输入电压范围不一定与此相同。但是，一般来说，合适输入电压的上限都是电源电压，通常都低于电源电压。合适输入电压的下限因集成运算放大器的不同而不同，那些能放大微弱信号的精密放大器，其合适输入电压的下限比较低。

图2-8所示是由LM324构成的反相输入放大电路幅频特性和相频特性曲线图。图中，黑线是放大器幅频特性曲线，红线是放大器相频特性曲线。由图可见，在频率约小于80kHz的范围内，放大器增益为20dB，相应的放大倍数是10倍。在此范围内，放大器的相位为180°，这表明它是和输入信号反相的。

2.T形网络反相输入放大电路功能测试

【例2.2】 T 形网络反相输入放大电路如图2-9所示。现在，我们要设计一个比例系数为-100且输入电阻为100kΩ的反相输入放大电路。亦即要求 R _i = 100kΩ，则 R ₁ 应取100kΩ；如果 R ₂ 和 R ₄ 也取 100kΩ，那么 R ₃ 取 1.02kΩ。图中，输入信号INPUT为100mV的直流信号，输出信号OUT用虚拟电压表测量。这里采用Proteus软件的交互式仿真功能，单击图中运行图标（图中没有），将出现如图2-9所示 T形网络反相输入放大电路测试结果图。虚拟电压表显示所测输出电压为-9.96V（图中虚拟电压表正负反接）。100mV的直流电压输入信号，经-100倍的放大器放大，理论值应为-10V，实测值为-9.96V，也在精度要求范围内。

这样，用T形网络反相输入放大电路既实现了比例系数为-100且输入电阻为100kΩ的设计要求，还避免了使用极易增大噪声的超过1MΩ以上高阻值电阻。如果要采用反相输入基本放大电路，放大倍数也为-100，若要求 R _i = 100kΩ，则 R 应取 100kΩ， R _f 应取10MΩ，而10MΩ电阻的噪声要比几百kΩ电阻大得多。

3.用自举扩展电路提高反相输入运算放大器的输入电阻电路功能测试

【例2.3】 用自举扩展电路提高反相运算放大器的输入电阻电路如图2-10所示。图中，两个放大器均选LM324，电源电压为±12V。 R =11kΩ， R ₁ =10kΩ， R _F1 = R _F2 = R ₂ =20kΩ， R _P1 =10kΩ。图中，输入信号INPUT为500mV的直流信号，输出信号在U2：A放大器1引脚用虚拟电压表测量。由放大倍数公式 可知，本电路放大倍数为 =-2。

采用Proteus软件的交互式仿真功能，单击图中运行图标（图中没有，下同），将出现如图2-10所示用自举扩展电路提高反相运算放大器的输入电阻电路仿真结果图。虚拟电压表显示所测输出电压为-0.99V。500mV的直流电压输入信号，经-2倍的放大器放大，理论值应为-1.0V，实测值为-0.99V，也在精度要求范围内。此时，整个电路的输入电阻为 ，显然比原电路的10kΩ大得多。

4.用T形电阻网络和自举扩展电路相结合提高反相运算放大器的输入电阻电路功能测试

【例2.4】 用T形电阻网络和自举扩展电路相结合提高反相运算放大器的输入电阻电路如图2-11所示。图中，两个放大器均选LM324，电源电压为±12V。 R =6kΩ， R ₁ =5kΩ， R _F1 = R _F2 = R _F3 = R' _F2 = R" _F2 = R" _F3 =10kΩ， R ₂ = R _P1 = R _P2 =10kΩ。图中，输入信号 v _i 为100mV的直流信号，输出信号在 v _o 处用虚拟电压表测量。由电压放大倍数公式 可知，本电路放大倍数为 。

采用Proteus软件的交互式仿真功能，单击图中运行图标，将出现如图2-11所示用T形电阻网络和自举扩展电路相结合提高反相运算放大器的输入电阻电路仿真结果图。虚拟电压表显示所测输出电压为-0.58V。100mV的直流电压输入信号，经-6倍的放大器放大，理论值应为-0.60V，实测值为-0.58V。此时，整个电路的输入电阻为 ，显然比原电路的5kΩ大得多。