电压调理电路：放大正弦波+直流偏置

原创 已于 2025-02-27 21:12:12 修改 · 3.3k 阅读 · 33 ·
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于 2025-02-25 22:19:02 首次发布

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一、题目

完成电压调理电路的设计仿真，实现在1kHz~10kHz范围内，输入峰峰值6V，偏移0V的正弦波，输出峰峰值3V，偏移1.5V的同频正弦波;

二、计算

直流偏置 + 1.5 V，输入信号放大 0.5 倍。信号加到反向端，直流电平加到同向端。使用反相放大器。
u i − U + R 1 = U + − u o R 2 \frac{u_i - U_+}{R_1} = \frac{U_+ - u_o}{R_2} R1​ui​−U+​​=R2​U

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如上图所示，在运放的正向输入端如果没有Vref，而是直接接地的话，那显然是最基础的反相放大器。那么在运放的正向输入端接入参考电压Vref，则可以使Vi的直流偏置电压抬高，这样如果原来输入Vi是一个有负电压的正弦波，通过抬高直流偏置电压，使得输出Vo完全大于0。因此，为了使得波形放大的完整性，可以通过将正弦波的直流偏置电压抬高，使得最小值也大于0，这样就能保证输出完整的波形。这里不能简单的认为该值就是经过运放后，正弦波直流偏置电压的偏移量。通过该式也可看出，如果想将原有的正弦波Vi抬高，使得最小值也大于0，
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此抬压电路可以抬压4.7V，但是放大倍数不变，与第一种情况相同，是由于交流分析时，运放放大的是R2与R10之间的分压，导致没有放大两倍，如果调整R7=30k，会得到放大两倍的输入信号，但仍然是没有电容隔直的作用，导致最终直流偏置也被放大，无法做到抬压4.7V。且直流分析时，运放放大的并不是R17与R18产生的分压，而是V8在R11端产生的电压。此时由于原来的直流信号为0，R26与R27上没有电压，此时运放的正极相当于只有正弦信号输入，此时电路为一个同相比例运算电路，示波器查看，输出信号被放大两倍。
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当信号输入在运放的同相端时，我们在通过两个阻值相等的电阻分压来给运放的同相端产生二分之一VCC的电压，这个电压就是我们添加的偏置电压，输入信号经过电容后整体将会抬升二分之一VCC，从而输入信号全部变成了正电压。为了使运放无法对偏置电压进行放大，加入了电容C1，仅仅分析偏置电压时，电容对直流电压相当于开路，所以偏置电压作为输入时，运放相当于一个电压跟随器，所以偏置电压不会被放大。为了获得稳定的偏置电压，减小电源纹波噪声带来的影响，一般还会在偏置电压上加一个去耦电容C2，这时RIN就充当电路的输入电阻，
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输入信号可能是交流信号，有正也有负，如果输入信号直接接到运算放大电路，对于单电源供电来说，运放不会输出负电压，只有正电压，从而不能实现信号的调理。如果输入的信号本身带有直流成分，导致输入的直流也被放大，叠加到输出的直流偏置上，可能进一步加剧这个问题。C1的作用是作为隔直电容，阻断输入信号（VIN）的直流成分，允许交流信号通过，并与R1构成高通滤波器，确保只有交流信号进入运放的反向输入端。该电路在同向端增加+2.5V的直流偏置，输入端VIN→R1→反向端，R2连接在输出和反向输入端之间，形成反馈回路。
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1、基本理论微波、毫米波电路和系统中的固体器件，一般都须加上偏压，以保证一定的工作状态。为此必须有偏压电路，把直流或一定的控制电压通过偏压电路加在固态器件上。在设计时，必须注意使其对主电路的微波传输特性影响尽可能的小，即不应造成大的附加损耗，反射以及高频能量的泄漏。对于微带电路的整体来说，还应该使其结构尽可能的紧凑，不至于占很大的面积，避免造成全体电路在介质基片上排列的困难。对直流偏置电路的要求与对隔直电路刚好相反，需要导通直流，扼制VCO振荡频率附近的交变电流，防止因射频端向直流源看去输入阻抗不够大而引起
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也可以这样理解：电路刚上电时会包含频率丰富的扰动成分，这些扰动频率都将会被放大，随后再缩小，依此循环，只有扰动成分的频率等于f0时，放大的倍数为3，而缩小的倍数也为3，电路将一直不停地振荡下去，也就是说，频率为f0的成分既不会因衰减而最终消失，也不会因一直不停放大而导致运放饱和而失真，相当于此时形成了一个平衡电桥。可以看到，电路的放大倍数越大，则电路越容易起振，但只要放大倍数超过3，则输出波形都将出现削波失真，如果放大倍数设置恰好为3，则仿真时间要等很久才会有结果。
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直流偏置
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### 直流偏置的定义 直流偏置是指在电子电路中，为确保有源器件（如晶体管、运算放大器等）在正常工作范围内运行，而施加的一个固定的直流电压或电流。该偏置条件决定了器件的静态工作点（Q点），使得器件能够对输入信号进行线性放大[^2]。 在放大器设计中，直流偏置通常通过电阻分压器或其他偏置电路实现，以确保晶体管的基极、发射极和集电极之间保持适当的电压关系，从而维持器件在放大区工作[^4]。 ### 直流偏置的作用 1. **设定静态工作点**：直流偏置为晶体管或放大器提供合适的静态工作点，使其能够在输入信号变化时保持在线性放大区域，避免信号失真。 2. **确保器件正常导通**：对于双极型晶体管（BJT）而言，发射结需要正向偏置才能导通，而集电结则需反向偏置以实现放大作用。直流偏置可以满足这些条件。 3. **提高电路稳定性**：合理的直流偏置有助于减小温度变化、电源波动等因素对电路性能的影响，提升整体稳定性。 4. **影响噪声与功耗**：直流偏置电流的大小直接影响放大器的输入失调电压和噪声性能，同时也决定了电路的静态功耗。 ### 在电路设计中的应用 1. **晶体管偏置配置**： - **共发射极偏置**：广泛用于电压放大电路，通过设置合适的基极偏置电压，使晶体管工作在放大区。 - **分压器偏置**：采用R1和R2构成的分压网络为基极提供稳定的偏置电压，具有良好的温度稳定性，常用于通用放大电路中。 - **集电极反馈偏置与发射极反馈偏置**：通过引入反馈机制来稳定工作点，适用于对稳定性要求较高的场合。 2. **运算放大器偏置**： - 在运算放大器应用中，偏置电流必须具有完整的直流回路，否则可能导致放大器输出异常或无法正常工作。 - 偏置电流流经输入端的电阻网络会形成一个附加的失调电压，进而影响输出直流噪声，因此在设计中应尽量匹配输入电阻以减小其影响[^1]。 3. **高速接口电路中的直流偏置**： - 在高速电路设计中，如PCIe、USB或以太网接口，直流偏置电压用于维持信号线路的共模电压水平，以确保接收端能够正确识别信号。 - 与交流耦合相比，直流耦合方式不需要电容隔离，因此可以保留信号的直流成分，适用于需要维持直流电平的通信协议[^3]。 4. **射频与模拟前端设计**： - 在射频功率放大器中，直流偏置用于设置晶体管的工作状态（如A类、AB类、B类或C类），以优化效率与线性度。 - 偏置电路通常需要与射频信号路径隔离，常用偏置T（Bias-T）结构实现。 ### 示例代码：运算放大器偏置电路设计 以下是一个简单的非反相放大器偏置电路设计示例： ```c // 非反相放大器偏置电路设计示例 #include <stdio.h> int main() { float R1 = 10e3; // 反馈电阻 float R2 = 1e3; // 接地电阻 float Vref = 2.5; // 偏置电压源 float Vout; // 输出电压 // 计算非反相放大器的增益 float gain = 1 + (R1 / R2); // 假设输入信号为0，仅施加偏置电压 Vout = gain * Vref; printf("输出电压为: %.2f V\n", Vout); return 0; } ```
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