反相運算放大器應用指南：提升 FSR 的線性與穩定性

什麼是運算放大器？

運算放大器（Op-Amp）是一種常見的類比元件，用來放大其兩個輸入端之間的電壓差。它有三個主要接腳：

• 非反相輸入（+）
• 反相輸入（–）
• 輸出端

Op-Amp 會持續比較「+」與「–」兩端的電壓，並調整輸出，讓兩者盡量平衡。

什麼是反相放大器？

反相放大器是一種基本的運放電路配置，輸入訊號從反相端（–）進入，並透過回授電阻控制增益。

公式：

V_out = – (R_f / R_in) × V_in

• R_in: 輸入電阻
• R_f: 回授電阻
• V_in: 輸入電壓
• V_out: 輸出電壓（反向）

由於回授的作用，Op-Amp 會自動將反相端維持在接近 0V，這被稱為「虛接地」（virtual ground）。

為什麼不直接用分壓器？

雖然用電壓分壓器也能將 FSR 的阻值轉成電壓，但有幾個限制：

• 非線性輸出：FSR + 電阻會產生非線性的電壓變化
• 訊號範圍小：輸出可能只有 0.5V～1V，影響 ADC 精度
• 高阻抗、易受干擾：訊號不穩、容易受雜訊影響

反相運放可以改善這些問題，提供更穩定、線性、可放大的輸出訊號。

FSR 搭配反相運放的電路設計

基本接法：

5V ── R1 ──┬── (–) Op-Amp (+) ── GND
           │        │
          FSR      Output → MCU ADC
           │
          GND

另一種方式是將 FSR 放在回授路徑中，形成電流轉電壓放大器（transimpedance amplifier），可將壓力變化幾乎線性地轉換為電壓輸出。

如何選擇與調整電阻？

• 增益 = Rf / Rin：可調整此比例控制輸出範圍
• 若 Vin 範圍小（如 0.10.5V），可考慮設為 1050 倍放大
• 注意 Op-Amp 輸出限制：單電源版本可能無法輸出完整 0V 或 5V 範圍

常用 Op-Amp 型號：

小結

反相放大器是優化 FSR 訊號品質的理想方式，能提供更大的輸出電壓範圍與更佳的線性。初期開發階段可以先用分壓器進行測試，後續再導入運放電路以提升效能。如需回顧分壓器應用，可以參考我們的 上一篇文章。