交流耦合同相放大电路设计

1 简介

        该电路在单电源供电时,可放大交流信号,并可对输出信号进行电平抬升,以使其集中于电源电压信号的二分之一处。

2 设计目标

2.1 输入

  • V_{iMin} = -240mV
  • V_{iMax} = 240mV

2.2 输出

  • V_{oMin} = 0.1V
  • V_{oMax} = 4.9V

2.3 电源

  • V_{cc} = 5V
  • V_{ee} = 0 V
  • V_{ref} = 5V

2.4 截止频率下限(f_{L}

  • f_{L} = 16Hz

2.5 截止频率上限(f_{H }

  • f_{H} \geqslant 1MHz

2.6 交流增益(G_{ac }

  • G_{ac } = 10 V/V 

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,其中各元件作用如下:

  • Vinp处的电压决定输入共模电压
  • R2和R3负责将输入信号进行电平抬升
  • 通过使用低反馈电阻实现低噪声
  • 电路的截止频率取决于放大器的增益带宽积(GBP),可以通过添加一个与 R4 并联的电容器来完成额外的滤波。如果使用了高阻值电阻器,那么添加一个与 R4 并联的电容器还将提高电路的稳定性。 

        电路频率特性曲线如下,低频截止频率为16Hz,高频截止频率为1MHz,带通内增益为20dB(10V/V),满足设计要求。

         时域输入、输出信号仿真如下,输入信号(Vi)为±240mV正弦信号,输出信号(Vo)范围在0.1V~4.9V内。

4 电路传递函数推导

        电路传递函数推导如下图,其中有两个极点分别为:\frac{1}{2*\pi *R_{1}*C_{1}}\frac{1}{2*\pi *R_{2} // R_{3}*C_{2}}

5 设计计算

  • 选择R1和R4来设置交流电压增益

        R_{1} = 1k\Omega

        R_{4} = R_{1} * (G_{ac} - 1) = 1 * (10 -1 )=9k\Omega

  • 选择R2和R3来将直流输出电压Vdc设置为电源电压的一半

        R_{3} = 4.99k\Omega

        R_{2} = \frac{R_{3}*V_{ref}}{V_{DC}} - R_{3} = \frac{4.99*5}{2.5} - 4.99=4.99k\Omega

  • 基于f_{L}R_{1}选择C_{1}

        f_{1} = 16Hz

        C_{1} = \frac{1}{2*\pi *R_{1}*\frac{f_{L}}{1.557}} = \frac{1}{2*\pi *1k*\frac{16}{1.557}} = 15.5uF \approx 15uF

        说明:由于\frac{1}{2*\pi *R_{1}*C_{1}}\frac{1}{2*\pi *R_{2} // R_{3}*C_{2}}在16Hz同时作用形成了二阶高通电路,设计目标内要求的f _{L}的-3dB是16Hz,所以在计算C1和C2时引入了系数1.557

  • 基于f_{L}R_{2}R_{3}选择C_{2}

        d_{div} = \frac{R_{2} *R _{3}}{R_{2}+R_{3}} = \frac{4.99 *4.99}{4.99+4.99} =2.495k

        C_{2} = \frac{1}{2*\pi *R_{div}*\frac{f_{L}}{1.557}} = \frac{1}{2*\pi *2.495k*\frac{16}{1.557}} = 6.4uF \approx 6.8uF

  • 截止频率上限f_{H}取决于此电路的同相增益和运放的增益带宽积(GBW)

        f_{H} = \frac{GBW}{G_{ac}} = 10MHz / 10 = 1 MHz

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