Part 01

前言

同相放大電路是一種經(jīng)典的運(yùn)算放大器的電路配置，廣泛用于信號(hào)處理、傳感器接口和精密模擬電路中。其高輸入阻抗、低輸出阻抗以及靈活可調(diào)的增益，使其在放大弱信號(hào)、隔離輸入信號(hào)和阻抗匹配等場合尤為重要。今天我們就詳細(xì)講一講同相放大電路的計(jì)算以及仿真。

Part 02

電路設(shè)計(jì)指標(biāo)

輸入電壓：±1V的正弦波電壓，頻率10KHz

輸出電壓：±2V的正弦波電壓，頻率10KHz

分析：

輸出電壓±2V，這意味著運(yùn)放需要采用雙電源供電，我們采用±5V電源為運(yùn)放供電。

Part 03

設(shè)計(jì)步驟

1.同相放大電路的輸入輸出傳遞函數(shù)：

Vo=Vin*G=Vin*(1+R2/R1）

2.輸入電壓：±1V的正弦波電壓，頻率10KHz，輸出電壓：±2V的正弦波電壓，頻率10KHz，從而可以得到電路的增益G為2V/V。

3.計(jì)算R1和R2的電阻值

(1+R2/R1）=2

R2/R1=1

如果R1=1K，那么R2=1K

4.評(píng)估需要所選運(yùn)放的壓擺率指標(biāo)

運(yùn)放的壓擺率（Slew Rate）是描述運(yùn)算放大器動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表示運(yùn)放輸出電壓隨時(shí)間變化的最大速率，單位通常為V/μs。當(dāng)輸入信號(hào)頻率或幅度較高時(shí)，若運(yùn)放的壓擺率不足，輸出信號(hào)將無法正確跟隨輸入信號(hào)變化，導(dǎo)致波形失真。當(dāng)輸出信號(hào)欲實(shí)現(xiàn)比這個(gè)速率還快的變化時(shí)，運(yùn)放就不能提供了，導(dǎo)致輸出波形變形一一原本是正弦波就變成了三角波。

SR=2*3.14*Va*f=2*3.14*1V*10KHz=0.0628 V/μs

我們?cè)谶x擇運(yùn)放時(shí)，要確保所選運(yùn)放的壓擺率>0.0628 V/μs才行。

5.增益帶寬積（GBP）限制了電路的頻率響應(yīng)。增益電路的增益G與運(yùn)放的帶寬f滿足

G*f=2*10KHz=20KHz<運(yùn)放的增益帶寬積GBW

我們?cè)谶x擇運(yùn)放時(shí)，要確保所選運(yùn)放的增益帶寬積GBW>20KHz才行。

Part 04

仿真結(jié)果

輸入輸出信號(hào)波形：

直流掃描驗(yàn)證電路增益：

交流仿真分析：

-3dB帶寬約為5.218292MHz

Part 04

注意事項(xiàng)

1.電阻選擇使用電阻值不宜過大，避免熱噪聲過高。

2.增益越高，電路越容易受到寄生參數(shù)的影響，適當(dāng)降低增益或選擇帶寬更高的運(yùn)放，可以基于增益帶寬積指標(biāo)評(píng)估。

3.運(yùn)放的壓擺率滿足輸入信號(hào)頻率和幅度的需求，若壓擺率不足，正弦波可能失真為三角波。

4.選擇低偏置電流和低失調(diào)電壓的運(yùn)放，尤其在高阻抗輸入情況下，減少誤差。

5.確保運(yùn)放的電源電壓范圍適合應(yīng)用需求，例如±15V或單電源5V、3.3V 等。

6.在運(yùn)放電源引腳附近添加去耦電容，以抑制電源噪聲和高頻干擾。

7.在高頻信號(hào)放大時(shí)，注意運(yùn)放的頻率響應(yīng)，避免帶寬不足導(dǎo)致增益下降。在反饋電阻R2上并聯(lián)小電容形成低通濾波，改善高頻穩(wěn)定性。也可在輸入端引入RC濾波器，抑制高頻噪聲。

8.同相放大電路輸入阻抗較高，通常為運(yùn)放自身輸入阻抗，應(yīng)匹配信號(hào)源輸出阻抗，以減少信號(hào)衰減。

9.輸出端需考慮負(fù)載阻抗，確保運(yùn)放的輸出能力足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免過載或失真。

10.在高增益或高頻設(shè)計(jì)中，注意運(yùn)放的功耗，避免因溫升導(dǎo)致性能下降。

11.PCB布局時(shí)反饋電阻R2與運(yùn)放反相端之間的連接應(yīng)盡可能短且直接，減少寄生電感和電容。