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反相放大電路的工作原理分析

CHANBAEK ? 來源: 電堂2018 ? 作者: 電堂2018 ? 2023-11-08 17:42 ? 次閱讀

1、工作原理分析

圖1.21為運放反相放大電路,運放同相輸入端直接接地,輸入信號VIN通過電阻R1連接到運放反相輸入端,電阻R1和R2構成輸出電壓反饋電路。

根據放大器正常工作時的“虛短”工作原理,電路中節點電壓V1=V2=0V;根據“虛斷”工作原理,無電流流入運放反相輸入端,所以:

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圖1.21 反相放大電路

1、偏置點分析:Bias Point

利用偏置點分析,計算小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和每個元器件相對輸出信號的靈敏度,仿真設置如圖1.22所示。

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圖1.22 偏置點仿真分析設置

偏置點仿真分析結果:

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通過仿真分析結果可得:反相放大電路電壓增益為-2;輸入阻抗為1.000E+03,即R1阻值;輸出阻抗為3.936E-03;電阻R1和R2對輸出電壓最敏感,分別為-2%和2%。

2、直流仿真分析:DC SWEEP

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圖1.23 直流仿真分析設置

對電路進行直流仿真分析,如圖1.23所示,輸入電壓VIN從-10V線性增加至10V,步進1mV。仿真結果如圖1.24所示。

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圖1.24 輸出電壓VOUT波形

圖1.24為輸出電壓VOUT波形:隨著輸入電壓增大輸出電壓逐漸降低;當輸出電壓范圍在-13.5VOUT13.5時,輸出電壓與輸入電壓成線性關系,超出范圍時輸出飽和。

3、瞬態仿真分析:Time Domain

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圖1.25 瞬態仿真分析設置

對電路進行瞬態仿真分析設置,如圖1.25所示,仿真時間2ms、最大步長5us,仿真結果如圖1.26所示。

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圖1.26 輸入和輸出電壓波形

圖1.26為瞬態仿真波形,V(IN)為輸入電壓波形,V(VOUT)為輸出電壓波形,電路實現-2倍反相放大功能。

4、交流和參數仿真分析:AC Sweep、Parametric Sweep

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圖1.27 交流仿真分析設置

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圖1.28 參數仿真分析設置

對電路進行交流仿真分析,如圖1.27所示,頻率范圍10kHz—3megHz,每十倍頻20點;對電阻R2進行參數仿真分析,如圖1.28所示,參數值分別為:2k、4k和8k。仿真結果如圖1.29所示。

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圖1.29 輸出電壓頻率特性曲線:電阻R2從上到下分別為8k、4k和2k

當電阻R2=2k時增益為-2,帶寬約為1.32megHz;當電阻R2=4k時增益為-4,帶寬約為0.75megHz;當電阻R2=8k時增益為-8,帶寬約為0.4megHz;增益帶寬積分別為2.64megHz、3megHz和3.2megHz,誤差約為10%,基本符合增益帶寬積為恒定值設計規則。

5、直流和蒙特卡洛仿真分析:DC Sweep、Monte Carlo

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圖1.30 直流仿真分析設置

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圖1.31 蒙特卡洛仿真分析設置

當輸入直流電壓為-1V時對電路進行蒙特卡洛仿真分析,仿真設置如圖1.30和圖1.31所示。電阻容差為平均分布5%,仿真結果如圖1.28所示,最大值約為2.19V,最小值約為1.83V,仿真次數為100。

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圖1.32 輸出電壓蒙特卡洛仿真數據

6、直流和最壞情況仿真分析:DC Sweep、Worst case

由電路可知,當電阻R1取-5%容差、R2取+5%容差時輸出電壓最大,最大值為:

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圖1.33 最壞情況仿真設置

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圖1.34 最壞情況輸出設置:輸出最大值

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當R1取95%、R2取105%時輸出電壓最大,最大值為2.2105V,與計算值一致。

由電路可知,當電阻R1取+5%容差、R2取-5%容差時輸出電壓最小,最小值為:

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圖1.35 最壞情況輸出設置:輸出最小值

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當R1取105%、R2取95%時輸出電壓最小,最小值為1.8095V,與計算值一致。

電阻容差越大,最壞情況下輸出電壓偏離正常值最大,讀者可以自行仿真驗證。

附錄——關鍵仿真器件模型

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