反相放大電路的工作原理分析

1、工作原理分析

圖1.21為運放反相放大電路，運放同相輸入端直接接地，輸入信號VIN通過電阻R1連接到運放反相輸入端，電阻R1和R2構(gòu)成輸出電壓反饋電路。

根據(jù)放大器正常工作時的“虛短”工作原理，電路中節(jié)點電壓V1=V2=0V;根據(jù)“虛斷”工作原理，無電流流入運放反相輸入端，所以：

圖1.21 反相放大電路

1、偏置點分析：Bias Point

利用偏置點分析，計算小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和每個元器件相對輸出信號的靈敏度，仿真設(shè)置如圖1.22所示。

圖1.22 偏置點仿真分析設(shè)置

偏置點仿真分析結(jié)果：

通過仿真分析結(jié)果可得：反相放大電路電壓增益為-2;輸入阻抗為1.000E+03，即R1阻值;輸出阻抗為3.936E-03;電阻R1和R2對輸出電壓最敏感，分別為-2%和2%。

2、直流仿真分析：DC SWEEP

圖1.23 直流仿真分析設(shè)置

對電路進行直流仿真分析，如圖1.23所示，輸入電壓VIN從-10V線性增加至10V，步進1mV。仿真結(jié)果如圖1.24所示。

圖1.24 輸出電壓VOUT波形

圖1.24為輸出電壓VOUT波形：隨著輸入電壓增大輸出電壓逐漸降低;當(dāng)輸出電壓范圍在-13.5VOUT13.5時，輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系，超出范圍時輸出飽和。

3、瞬態(tài)仿真分析：Time Domain

圖1.25 瞬態(tài)仿真分析設(shè)置

對電路進行瞬態(tài)仿真分析設(shè)置，如圖1.25所示，仿真時間2ms、最大步長5us，仿真結(jié)果如圖1.26所示。

圖1.26 輸入和輸出電壓波形

圖1.26為瞬態(tài)仿真波形，V(IN)為輸入電壓波形，V(VOUT)為輸出電壓波形，電路實現(xiàn)-2倍反相放大功能。

4、交流和參數(shù)仿真分析：AC Sweep、Parametric Sweep

圖1.27 交流仿真分析設(shè)置

圖1.28 參數(shù)仿真分析設(shè)置

對電路進行交流仿真分析，如圖1.27所示，頻率范圍10kHz—3megHz，每十倍頻20點;對電阻R2進行參數(shù)仿真分析，如圖1.28所示，參數(shù)值分別為：2k、4k和8k。仿真結(jié)果如圖1.29所示。

圖1.29 輸出電壓頻率特性曲線：電阻R2從上到下分別為8k、4k和2k

當(dāng)電阻R2=2k時增益為-2，帶寬約為1.32megHz;當(dāng)電阻R2=4k時增益為-4，帶寬約為0.75megHz;當(dāng)電阻R2=8k時增益為-8，帶寬約為0.4megHz;增益帶寬積分別為2.64megHz、3megHz和3.2megHz，誤差約為10%，基本符合增益帶寬積為恒定值設(shè)計規(guī)則。

5、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

圖1.30 直流仿真分析設(shè)置

圖1.31 蒙特卡洛仿真分析設(shè)置

當(dāng)輸入直流電壓為-1V時對電路進行蒙特卡洛仿真分析，仿真設(shè)置如圖1.30和圖1.31所示。電阻容差為平均分布5%，仿真結(jié)果如圖1.28所示，最大值約為2.19V，最小值約為1.83V，仿真次數(shù)為100。

圖1.32 輸出電壓蒙特卡洛仿真數(shù)據(jù)

6、直流和最壞情況仿真分析：DC Sweep、Worst case

由電路可知，當(dāng)電阻R1取-5%容差、R2取+5%容差時輸出電壓最大，最大值為：

圖1.33 最壞情況仿真設(shè)置

圖1.34 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最大值

當(dāng)R1取95%、R2取105%時輸出電壓最大，最大值為2.2105V，與計算值一致。

由電路可知，當(dāng)電阻R1取+5%容差、R2取-5%容差時輸出電壓最小，最小值為：

圖1.35 最壞情況輸出設(shè)置：輸出最小值

當(dāng)R1取105%、R2取95%時輸出電壓最小，最小值為1.8095V，與計算值一致。

電阻容差越大，最壞情況下輸出電壓偏離正常值最大，讀者可以自行仿真驗證。

附錄——關(guān)鍵仿真器件模型