运算放大器(运放)反相衰减器电路

运算放大器(运放)反相衰减器电路

设计目标

设计说明1

此电路将输入信号 Vi 反相并应用 -40dB 的信号增益。反相放大器的共模电压等于应用于同相输入的电压，该输入在该设计中接地。

设计说明2

1. 该电路中的共模电压不随输入电压的变化而变化。
2. 输入阻抗由输入电阻器决定。确保该值大于电源的输出阻抗。
3. 使用高阻值电阻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。如果输入和反馈电阻均使用了高阻值电阻器，则与 R2 并联的电容器还可提供滤波，并提高电路的稳定性。
4. 避免将容性负载直接放置在放大器的输出端，以最大程度地减少稳定性问题。
5. 小信号带宽由噪声增益（或同相增益）和运算放大器增益带宽积 (GBP) 决定。
6. 大信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最大程度地减小转换导致的失真。
7. 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; 请注意，较高的输入电压电平可能需要使用多个串行电阻，这有助于降低每个电阻的压降。相关详细信息，请关注后续。

设计步骤

此电路的传递函数遵循：
$$Vo=Vi\times (–\frac{R2}{R1})$$

1. 计算该电路所需的增益。
   $$G=\frac{VoMax–VoMin}{ViMax–ViMin}=\frac{2V–(–2V)}{200V–(–200V)}=0.01\frac{V}{V}=–40dB$$
2. 选择 R1 的起始值。
   $$R1=100k\Omega$$
3. 计算如何实现所需的 0.01V/V 信号衰减。
   $$G=\frac{R2}{R1}\to R2=R1\times G=0.01\frac{V}{V}\times 100k\Omega =1k\Omega$$
4. 选择满足电路带宽要求的反馈电容器 C1。
   $$C1\le \frac{1}{2\pi \times R2\times fp}\to C1\le \frac{1}{2\pi \times 1k\Omega \times 1MHz}\le 159.15pF\approx 160pF(标准值)$$
5. 计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。
   $$Vp<\frac{SR}{2\pi \times fp}\to SR>2\pi \times f\times Vp\to SR>2\pi \times 1MHz\times 2V=12.6\frac{V}{\mu S}$$
   $$•S{R}_{LMV861}=18V/\mu s；因此它满足该要求。$$
6. 计算电路带宽，确保其满足 1MHz 要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。
   $$NG=1+\frac{R2}{R1}=1.01\frac{V}{V}\to BW=\frac{GBP}{NG}=\frac{30MHz}{1.01\frac{V}{V}}=29.7MHz$$
   $$•B{W}_{LMV861}=30MHz；因此满足要求。$$
7. 如果未使用 C1 限制电路带宽，为了避免稳定性问题，请确保由器件的增益设置电阻器和输入电容创建的零点大于电路的带宽。
   $$\frac{1}{2\pi \times (Ccm+Cdiff)\times (R2||R1)}>\frac{GB{P}_{LMV861}}{NG}$$
   • Ccm 和 Cdiff 分别是 LMV861 的共模和差分输入电容。

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

瞬态仿真结果

设计采用的运算放大器LMV861

设计备选运算放大器