采用T网络反馈电路的运算放大器(运放)反相放大器

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VoMaxBW fp电源电压Vcc电源电压Vee
-2.5mV2.5mV–2.5V2.5V5kHz5V–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

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 = V o M a x – V o M i n V i M a x – V i M i n = 2.5 V – ( − 2.5 V ) 2.5 m V − ( – 2.5 m V ) = 1000 V V = 60 d B 增益 = \frac {VoMax –VoMin}{ViMax –ViMin} = \frac {2.5V–(-2.5V)}{2.5mV-(–2.5mV)} =1000 \frac {V}{V} =60dB 增益=ViMaxViMinVoMaxVoMin=2.5mV(–2.5mV)2.5V(2.5V)=1000VV=60dB
  2. 计算电阻值,以设置所需的增益。
    增益 = R 2 × R 1 R 3 + R 1 + R 2 R 4 增益 = \frac{ \frac{R2× R1}{R3}+ R1+ R2}{R4} 增益=R4R3R2×R1+R1+R2
    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。
    R 3 = R 2 × R 1 增益 × R 4 – R 1 – R 2 = 9 k Ω × 100 k Ω 1000 × 1 k Ω– 100 k Ω– 9 k Ω = 1 k Ω R3= \frac{R2× R1}{增益 × R4 – R1– R2}= \frac{9kΩ × 100kΩ}{1000 × 1kΩ – 100kΩ – 9kΩ} = 1kΩ R3=增益×R4–R1–R2R2×R1=1000×1kΩ–100kΩ–9k9k×100k=1k
  3. 计算 C3(使用反馈电阻的等效电阻 Req),以设置 fp 的位置。
    R e q = R 2 × R 1 R 3 + R 1 + R 2 = 9 k Ω × 100 k Ω 1 k Ω + 100 k Ω + 9 k Ω = 1.009 M Ω Req = \frac{R2 ×R1}{R3}+R1 +R2 = \frac{9kΩ × 100kΩ}{1kΩ}+100kΩ + 9kΩ = 1.009MΩ Req=R3R2×R1+R1+R2=1k9k×100k+100k+9k=1.009M
    f p = 1 2 π × R e q × C 3 = 5 k H z fp = \frac{1}{2π × Req ×C3} =5kHz fp=2π×Req×C31=5kHz
    C 3 = 1 2 π × R e q × f p = 1 2 π × 1.009 M Ω × 5 k H z = 31.55 p F ≈ 30 p F (标准值) C3 = \frac{1}{2π × Req ×fp} = \frac{1}{2π × 1.009MΩ × 5kHz} = 31.55pF ≈ 30pF(标准值) C3=2π×Req×fp1=2π×1.009M×5kHz1=31.55pF30pF(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。
    N G = 1 + R e q R 4 = 1 + 1009 = 1010 V V NG = 1 + \frac {Req}{R4} = 1 + 1009 = 1010 \frac{V}{V} NG=1+R4Req=1+1009=1010VV
    B W = G B P N G = 10 M H z 1010 V V = 9.9 k H z BW = \frac{GBP}{NG}= \frac{10MHz}{1010 \frac{V}{V}}= 9.9kHz BW=NGGBP=1010VV10MHz=9.9kHz
    • B W O P A 192 = 10 M H z ;因此满足此要求。 • BW_{OPA192} = 10MHz;因此满足此要求。 BWOPA192=10MHz;因此满足此要求。

设计仿真

直流仿真结果

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

交流仿真结果

瞬态仿真结果

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
Vos5µV
Iq1mA
Ib5pA
UGBW10MHz
SR20V/µs
#通道数1、2、4

设计备选运算放大器TLV9062

Vss1.8V 至 5.5V
VinCM轨至轨
Vout轨至轨
Vos0.3mV
Iq538µA
Ib0.5pA
UGBW10MHz
SR6.5V/µs
#通道数1、2、4

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