运算放大器同相放大器电路设计详解

运算放大器同相放大器电路设计详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/USALCD/article/details/139812145

运算放大器（运放）同相放大器电路是一种常见的模拟电路，广泛应用于信号处理、测量仪器等领域。本文将详细介绍如何设计一个满足特定性能要求的同相放大器电路，包括电路参数计算、稳定性分析以及仿真验证等内容。

设计目标

这种设计将输入信号 Vi 放大，信号增益为 10V/V。输入信号可能来自高阻抗源（例如 MΩ），因为该电路的输入阻抗由运算放大器的极高输入阻抗（例如 GΩ）决定。同相放大器的共模电压等于输入信号。

设计注意事项

1. 使用运算放大器线性输出运行范围，通常在 AOL 测试条件下指定该范围。共模电压等于共模信号。
2. 该电路的输入阻抗等于放大器的输入阻抗。
3. 使用高值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
4. 避免将电容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。
5. 同相放大器的小信号带宽取决于电路的增益和放大器的增益带宽积 (GBP)。可以通过添加与 R1 并联的电容器来完成额外的滤波。如果使用了高值电阻器，那么添加与 R1 并联的电容器还将提高电路的稳定性。
6. 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。
7. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，请参阅设计参考部分。

设计步骤

下面给出了该电路的传递函数。

$$
Vo = Vi \times (1 + \frac{R1}{R2})
$$

1. 计算增益。

$$
G = \frac{(Vo_{max} - Vo_{min})}{(Vi_{max} - Vi_{min})}
$$

$$
G = \frac{[10V - (-10V)]}{[1V - (-1V)]} = 10V/V
$$

2. 计算 R1 和 R2 的值。

$$
G = 1 + \frac{R1}{R2}
$$

选择 $R1 = 9.09k\Omega$

$$
R2 = \frac{R1}{(G - 1)} = \frac{9.09k\Omega}{(10V/V - 1)} = 1.01k\Omega
$$

3. 计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。

$$
SR2 \times \pi \times Vp \times f = 2 \times \pi \times 10V \times 20kHz = 1.257V/\mu s
$$

• OPA171 的压摆率是 1.5 V/µs，因此它满足该要求。

4. 为了保持足够的相位裕量，请确保器件的增益设置电阻和输入电容产生的零点大于电路的带宽。

零点频率大于此电路的带宽

Ccm 和 Cdiff 分别是 OPA171 的共模和差分输入电容。由于零点频率大于此电路的带宽，因此满足了这一要求。

设计仿真

直流仿真结果

OPA171直流仿真结果

交流仿真结果

OPA171交流仿真结果

设计参考资料

设计采用的运算放大器 OPA171

设计备选运算放大器 OPA191

OPA171简介：

36V，单电源，SOT553，通用运算放大器

特性

• 电源范围：+2.7V至+36V,±1.35V至±18V
• 低噪声：14nVHz
• 低偏移漂移：0.3μV°C(典型值)
• 己过滤的射频干扰(RF)输入
• 输入范围包括负电源
• 输入范围运行至正电源
• 轨至轨输出
• 增益带宽：3MHz
• 低静态电流：每个放大器475μA
• 高共模抑制：120dB(典型值)
• 低输入偏压电流：8pA

行业标准封装：

• 8引脚小外形尺寸集成电路(SOIC)封装
• 8引脚微型小外形尺寸(MSOP)封装
• 14引脚薄型小外形尺寸(TSSOP)封装

微型封装：

• S0T553封装内为单通道
• VSSOP-8封装内为双通道

应用范围

• 电源模块内的跟踪放大器
• 商用电源
• 变频器放大器
• 桥式放大器
• 温度测量
• 应力计放大器
• 精密积分器
• 电池供电仪器
• 测试设备

说明

OPA171,OPA2171和OPA4171(OPAx171)是系列36V,单电源，低噪声运算放大器，此系列运算放大器能够在+2.7V(±1.35V)至+36V(±18V)的电源范围内运行。这个器件采用微型封装并且在保证低静态电流的情况下提供低偏移、漂移和带宽。单通道、双通道和四通道版本均具有相同的技术规格，可最大程度地提高设计灵活性。

与大多数只有一个额定电源电压的运算放大器不同，OPAx171的额定电压范围为+2.7V至+36V。超过电源轨的输入信号不会导致相位反转。OPAx171系列在电容负载高达300pF时保持稳定。输入可在负电源轨以下100mV以及正电源轨2V之内正常运行。请注意，这些器件可在正电源轨之上100mV的满轨到轨输入上运行，但是在正电源轨2V之内运行时性能会受到影响。

OPAx171系列运算放大器额定运行温度范围为**-40°C至+125°C。**

OPAx171系列运算放大器提供较高的总体性能，从而非常适合于很多通用应用。只有2μV / °C的出色偏移漂移在整个温度范围内提供极佳的稳定性。此外，此器件提供具有高CMRR,PSRR和AoL的极佳性能。

与所有放大器一样，具有嘈杂或者高阻抗电源的应用需要放置在靠近器件引脚的去耦合电容器。在大多数情况下，0.1μF已足够满足需求。