运算放大器(运放)反相放大器电路

设计目标

输入电压ViMin	输入电压ViMax	输出电压VoMin	输出电压VoMax	BW fp	电源电压Vcc	电源电压Vee
-2.5mV	2.5mV	–2.5V	2.5V	5kHz	5V	–5V

设计说明1

该设计将输入信号 Vin 反相并应用 1000V/V 或 60dB 的信号增益。具有 T 反馈网络的反相放大器可用于获得高增益，而无需 R4 具有很小的值或反馈电阻器具有很大的值。

采用T网络反馈电路的反相放大器

设计说明2

1. C3 和反馈电阻的等效电阻设置截止频率 fp。
2. 该电路中的共模电压不随输入电压的变化而变化。
3. 使用高电阻值电阻器可能会减小相位裕度并增加噪声。
4. 避免将容性负载直接放置在放大器的输出，从而更大限度减少稳定性问题。
5. 由于电路增益较高，请务必使用具有足够增益带宽积的运算放大器。请记住在计算带宽时使用噪声增益。由于电路的高增益，请使用精密或低偏移器件。
6. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、容性负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，后续补充。

设计步骤

1. 计算所需增益。
   $$增益=\frac{VoMax–VoMin}{ViMax–ViMin}=\frac{2.5V–(-2.5V)}{2.5mV-(–2.5mV)}=1000\frac{V}{V}=60dB$$
2. 计算电阻值，以设置所需的增益。
   $$增益=\frac{\frac{R2\times R1}{R3}+R1+R2}{R4}$$
   选择输入电阻 R4 为 1kΩ。为了获得 1000V/V 的增益，通常需要一个 1MΩ 的电阻器。T 网络允许我们在反馈回路中使用更小的电阻值。选择 R1 为 100kΩ、R2 为 9kΩ 可计算 R3 的值。R2 在 10kΩ 范围内，因此运算放大器可以轻松驱动反馈网络。
   $$R3=\frac{R2\times R1}{增益\times R4–R1–R2}=\frac{9k\Omega \times 100k\Omega }{1000\times 1k\Omega –100k\Omega –9k\Omega }=1k\Omega$$
3. 计算 C3（使用反馈电阻的等效电阻 Req），以设置 fp 的位置。
   $$Req=\frac{R2\times R1}{R3}+R1+R2=\frac{9k\Omega \times 100k\Omega }{1k\Omega }+100k\Omega +9k\Omega =1.009M\Omega$$
   $$fp=\frac{1}{2\pi \times Req\times C3}=5kHz$$
   $$C3=\frac{1}{2\pi \times Req\times fp}=\frac{1}{2\pi \times 1.009M\Omega \times 5kHz}=31.55pF\approx 30pF（标准值）$$
4. 计算小信号电路带宽，以确保其满足 5 kHz 要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。
   $$NG=1+\frac{Req}{R4}=1+1009=1010\frac{V}{V}$$
   $$BW=\frac{GBP}{NG}=\frac{10MHz}{1010\frac{V}{V}}=9.9kHz$$
   $$•B{W}_{OPA192}=10MHz；因此满足此要求。$$

设计仿真

直流仿真结果

直流仿真结果

交流仿真结果

模拟与计算非常接近。

交流仿真结果

瞬态仿真结果

瞬态仿真结果

设计特色运算放大器OPA192

Vss	±2.25V 至 ±18V
VinCM	轨至轨
Vout	轨至轨
Vos	5µV
Iq	1mA
Ib	5pA
UGBW	10MHz
SR	20V/µs
#通道数	1、2、4

设计备选运算放大器TLV9062

Vss	1.8V 至 5.5V
VinCM	轨至轨
Vout	轨至轨
Vos	0.3mV
Iq	538µA
Ib	0.5pA
UGBW	10MHz
SR	6.5V/µs
#通道数	1、2、4