采用同相正基准电压电路的同相运算放大器

最新推荐文章于 2025-05-14 21:32:43 发布

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分类专栏：基础电路设计文章标签：同相比例电路同相比例偏置电路

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1 简介

本设计使用采用同相正基准电压的同相放大器将 –1V 至 3V 的输入信号转换为 0.05V 至 4.95V 的输出电压。该电路可用于将具有正斜率和负失调电压的传感器输出电压转换为可用的 ADC 输入电压范围。

2 设计目标

2.1 输入

$V_{iMin} =-1V$
$V_{iMax} =3V$

2.2 输出

$V_{oMin} =0.05V$
$V_{oMax} =4.95V$

2.3 电源

$V_{cc} =5V$
$V_{ee} =0V$
$V_{ref} =2.5V$

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：

Vref 必须具有低阻抗
该电路的输入阻抗等于 R3 与 R4 之和
在反馈环路中选择使用低阻值电阻器。建议使用阻值小于 100kΩ 的电阻器。使用高阻值电阻器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
电路的截止频率取决于放大器的增益带宽积 (GBP)
如果使用了高阻值电阻器，那么添加一个与 R1 并联的电容器将提高电路的稳定性

4 设计计算

传递函数

$V_{o}=V_{i}*\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}+V_{ref}*\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}$

计算可生成最大输出摆幅的输入的增益

$G_{input}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}$

$\frac{V_{oMax}-V_{oMin}}{V_{iMax}-V_{iMin}}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}=\frac{4.95-0.05}{3-(-1)}=1.225$

选取 R1 和 R4 的值，并将这些值代入上一个方程式。另外两个电阻器的阻值必须利用方程组来求解。如果有两个以上的变量未确定，则无法计算出适当的输出摆幅和失调电压。

$R_{1}=R_{4}=1k\Omega$

$\frac{1k}{R_{3}+1k}*\frac{1k+R_{2}}{R_{2}}=1.225=>R_{3}=\frac{1M+1k*R2}{1.225*R2}-1k$

设置适当的失调电压

$V_{oMin}=V_{iMin}*\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}+V_{ref}*\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}}*\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{2}}$

代入R3，计算R2

$R_{2}=1360.5\Omega \approx 1370\Omega$

代入R2，计算R3

$R_{3}=\frac{1M+1k*R2}{1.225*R2}-1k=412.18\Omega \approx 412\Omega$

5 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

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