运算放大器反相衰减器电路设计详解

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运算放大器反相衰减器电路设计详解

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CSDN

https://blog.csdn.net/USALCD/article/details/140560898

运算放大器反相衰减器电路是一种常见的电子电路，主要用于信号处理领域。本文将详细介绍该电路的设计目标、原理说明、设计步骤以及仿真结果，帮助读者深入理解其工作原理和实际应用。

运算放大器(运放)反相衰减器电路

设计目标

输入电压范围：-200V 至 200V
输出电压范围：-2V 至 2V
带宽：1MHz
增益：-40dB
电源电压：±2.5V

设计说明

该电路将输入信号 Vi 反相并应用 -40dB 的信号增益。反相放大器的共模电压等于应用于同相输入的电压，该输入在该设计中接地。

运放反相衰减器电路
该电路中的共模电压不随输入电压的变化而变化。
输入阻抗由输入电阻器决定。确保该值大于电源的输出阻抗。
使用高阻值电阻可能会减小放大器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。如果输入和反馈电阻均使用了高阻值电阻器，则与 R2 并联的电容器还可提供滤波，并提高电路的稳定性。
避免将容性负载直接放置在放大器的输出端，以最大程度地减少稳定性问题。
小信号带宽由噪声增益（或同相增益）和运算放大器增益带宽积 (GBP) 决定。
大信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最大程度地减小转换导致的失真。
较高的输入电压电平可能需要使用多个串行电阻，这有助于降低每个电阻的压降。

设计步骤

此电路的传递函数遵循：
V o = V i × ( – R 2 R 1 ) Vo =Vi × (– \frac{R2}{R1})Vo=Vi×(–R1R2 )

计算该电路所需的增益。
G = V o M a x – V o M i n V i M a x – V i M i n = 2 V – ( – 2 V ) 200 V – ( – 200 V ) = 0.01 V V = – 40 d B G =\frac{VoMax – VoMin}{ViMax – ViMin} = \frac{2V – ( – 2V )}{200V – ( – 200V )} = 0.01 \frac{V}{V}= –40dBG=ViMax–ViMinVoMax–VoMin =200V–(–200V)2V–(–2V) =0.01VV =–40dB
选择 R1 的起始值。
R 1 = 100 k Ω R1 =100kΩR1=100kΩ
计算如何实现所需的 0.01V/V 信号衰减。
G = R 2 R 1 → R 2 = R 1 × G = 0.01 V V × 100 k Ω = 1 k Ω G =\frac{R2}{R1}→ R2 =R1× G = 0.01 \frac{V}{V}× 100kΩ = 1kΩG=R1R2 →R2=R1×G=0.01VV ×100kΩ=1kΩ
选择满足电路带宽要求的反馈电容器 C1。
C 1 ≤ 1 2 π × R 2 × f p → C 1 ≤ 1 2 π × 1 k Ω × 1 M H z ≤ 159.15 p F ≈ 160 p F ( 标准值 ) C1≤ \frac{1}{2π × R2× fp}→C1≤ \frac{1}{2π × 1kΩ × 1MHz} ≤ 159.15pF ≈ 160pF (标准值)C1≤2π×R2×fp1 →C1≤2π×1kΩ×1MHz1 ≤159.15pF≈160pF(标准值)
计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。
V p < S R 2 π × f p → S R > 2 π × f × V p → S R > 2 π × 1 M H z × 2 V = 12.6 V μ S Vp < \frac{SR}{2π × fp}→ SR > 2 π × f × Vp→SR > 2 π × 1 MHz × 2 V = 12.6 \frac{V}{μS}Vp<2π×fpSR →SR>2π×f×Vp→SR>2π×1MHz×2V=12.6μSV
• S R L M V 861 = 18 V / µ s ；因此它满足该要求。 • SR_{LMV861} = 18V/µs；因此它满足该要求。•SRLMV861 =18V/µs；因此它满足该要求。
计算电路带宽，确保其满足 1MHz 要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。
N G = 1 + R 2 R 1 = 1.01 V V → B W = G B P N G = 30 M H z 1.01 V V = 29.7 M H z NG = 1 + \frac{R2}{R1} = 1.01\frac{ V}{V}→BW = \frac{ GBP}{NG} = \frac{30MHz}{1.01 \frac{V}{V}} = 29.7MHzNG=1+R1R2 =1.01VV →BW=NGGBP =1.01VV 30MHz =29.7MHz
• B W L M V 861 = 30 M H z ；因此满足要求。 • BW_{LMV861} = 30MHz；因此满足要求。•BWLMV861 =30MHz；因此满足要求。
如果未使用 C1 限制电路带宽，为了避免稳定性问题，请确保由器件的增益设置电阻器和输入电容创建的零点大于电路的带宽。
1 2 π × ( C c m + C d i f f ) × ( R 2 ∣ ∣ R 1 ) > G B P L M V 861 N G \frac{1}{2π × (Ccm+ Cdiff) × (R2|| R1)}> \frac {GBP_{LMV861}}{NG}2π×(Ccm+Cdiff)×(R2∣∣R1)1 >NGGBPLMV861
• Ccm 和 Cdiff 分别是 LMV861 的共模和差分输入电容。