反相求和电路设计

news2024/11/13 13:14:37

   1 简介

         该电路可对两个输入信号进行求和(相加),并将其在输出端反相。输入信号通常要求低阻抗源,因为该电路的输入阻抗由输入电阻R1和R2决定。反相放大器的共模电压等于连接到同相节点的电压。

2 设计目标

2.1 输入

  • V_{1iMin} = -5V
  • V_{1iMax} = 5V
  • V_{2iMin} = -250m V
  • V_{2iMax} = 250m V

2.2 输出

  • V_{oMin} = -4.9V
  • V_{oMax} = 4.9V

2.3 频率

  • f=10kHz

2.4 电源

  • V_{cc} = 5V
  • V_{ee}=-5V

3 电路设计 

        根据设计目标,最终设计的电路结构和参数如下图:

注意事项:

  • 使运算放大器工作在线性输出范围
  • 匹配好输出源的阻抗和运放电路的输入阻抗
  • 使用高阻值电阻可能会减小电路的相位裕度(与输入电容形成低通效应),并在电路中引入额外的噪声
  •  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
  • 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。可通过添加与R3并联的电容器来完成额外滤波。如果使用了高阻值电阻,那么添加与 R3并联的电容器还将提高电路的稳定性
  • 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

4 设计计算

        该电路的传递函数:

        V_{o} =V_{i1}*(-\frac{R_{3}}{R_{1}}) + V_{i2}*(-\frac{R_{3}}{R_{2}})

  • 选择R3

        R3 = 20kΩ

  • 计算Vi1所需的增益。对于该设计,输出摆幅的一半可用于每个输入

        G_{Vi1} = \frac{\frac{V_{oMax} - V_{oMin}}{2}}{V_{i1Max} - V_{i1Min}} = \frac{\frac{4.9V - (-4.9V)}{2}}{2.5V - (-2.5V)} = 0.98\frac{V}{V}

  • 计算R1的值

        G_{Vi1} = \frac{R_{3}}{R_{1}} =>R _{1} =\frac{R_{3}}{G_{Vil}} =\frac{20k}{0.98\frac{V}{V}}=20.4k\approx 20.5k

  • 计算Vi2所需的增益。对于该设计,输出摆幅的一半可用于每个输入

       G_{Vi2} = \frac{\frac{V_{oMax} - V_{oMin}}{2}}{V_{i2Max} - V_{i2Min}} = \frac{\frac{4.9V - (-4.9V)}{2}}{250mV - (-250mV)} = 9.8\frac{V}{V}       

  • 计算R2的值

        G_{Vi2} = \frac{R_{3}}{R_{2}} =>R _{2} =\frac{R_{3}}{G_{Vi2}} =\frac{20k}{9.8\frac{V}{V}}=2.04k\approx 2.05k

  •  计算小信号电路带宽,以确保它满足10kHz要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。在计算噪声增益时,请注意,R1和 R2是并联的。

        GBP_{OPA170} = 1.2MHz

        NG = 1 + \frac{R_{3}}{R_{1}||R_{2}} = 1 + \frac{20k}{1.86k} = 11.75\frac{V}{V}

        BW = \frac{GBP}{NG}=\frac{1.2M}{11.75\frac{V}{V}}=102k

        闭环带宽是102kHz,而设计的目标是10kHz,满足使用要求

  • 计算最小压摆率要求,以最大限度地降低转换导致的失真。

        V_{p} = \frac{SR}{2*\pi *f} =>SR>2*\pi *f*V_{p} =2*\pi *10k*4.9=0.31\frac{V}{us}

        SR OPA170 =0.4V/µs,因此它满足该要求

  • 为了避免稳定性问题,确保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

        \frac{1}{2*\pi *(C_{cm} + C_{diff} )*(R_{1}||R_{2}||R_{3})} >\frac{GBP}{NG}

        \frac{1}{2*\pi *(3pF + 3pF)*1.7k\Omega } >\frac{1.2MHz}{11.75\frac{V}{V}}

        15.6MHz > 102kHz

        Ccm 和 Cdiff 分别是共模和差分输入电容

5 电路仿真

时域仿真:

频域仿真:

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