从零学运放—16 运放开发板反相放大电路仿真

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从零学运放—16 运放开发板反相放大电路仿真

我们今天来做下反相放大相关电路的仿真。

1、反相放大，双电源供电直流信号

首先我们输入的是100mV的直流信号，放大倍数是10倍，注意同相放大最小就是1倍，那么反相放大的放大倍数是R4/R1=100K/10K=10倍，因为是反相放大，所以输出应该是个负值，相位转了180度，正的就变成负的了，那么我们这里看到理论上放大后的信号应该是负1伏，但是实际上放大后的数值要比负1还要小时-1.008V，有个8mV的差值，因为运放本身有失调电压，这个是对失调电压的一个放大，还有一个是Ib电流，那么在R2上产生的压降进行了放大。

那么我们来改下这个R2电阻，当我们改到87.9999K欧姆的时候，已经很接近理论放大倍数了，如下图

注意：我们放大的时候有个90ms的延迟，也就是说90ms秒之前我们的输出是到电源轨的，也就是有个稳态的过程。如下图

R2是匹配电阻，它的值是R1并上R4的并联值。那么R1和R4的并联值是91K那么我们看下91K欧姆的匹配电阻输出是多少（准确匹配放大），如下图

我们看到还是有1mV的差距，那么这个差距应该就是失调电压的放大，因为我们这里没有对失调电压进行处理。

我们在设计运放电路，首先我们第一件事情要看信号是什么，是直流还是交流，我们确定了信号源类型之后，我们再确定是单电源还是双电源供电，双电源相对来说简单，单电源相对来说复杂一些，然后确定是同相还是反相还是差分放大电路。这就说我们为什么要把这12个基本的放大电路拿出来让大家学习，这就是套路，根据上边步骤往上套就行。这就是为什么要学习这12个放大电路，这就是价值所在。

那么我们平时就要注意了，其实运放的放大就目前的仿真来看，它是受输入偏置电流和输入失调电压的影响的，所以这个我们1、需要外围电路器件的调参来尽量的抵消掉，2、经过软件的处理来消除掉这个误差。

我们上边是双电源供电，直流信号，接着我们就要考虑双电源供电我们要考虑运放哪些参数，首先要考虑失调电压，偏置电流（最基本参数），那么R2这里我们就考虑了它的偏置电流，因为偏置电流引起的误差。

2、反相放大，单电源供电直流信号

这个是没有做在实验板上，我们根据信号类型，电源类型分出了这么几个放大电路，其实我们分配12个电路，同相4个，反相有4个，差分有4个，而实际为什么同相有5个，反相有3个，差分有4个？同相有5个是因为，在同相放大单电源交流信号的时候，它有两种基本的电路结构，所以同相放大有5种；那为什么反相放大有3个？是因为单电源供电直流信号的时候，因为它是反相放大，也就是相位反转了180度，然而单电源供电反相放大电路，是输出不了负压的，运放是输出不来的，所以反相放大电路里没有单电源供电直流信号这种电路，这种电路是用不到的，可以用但是是没有人这样用的。

3、反相放大，双电源供电交流信号

仿真电路如下

首先我们看信号源是100mV，然后放大10倍，我们输出的应该是1伏的信号，我们来看下如下图。

红线是运放的输出引脚输出波形，篮线是经过C6之后的波形，就是说A通道是运放输出的波形（红色），B通道是过隔直电容后输出的波形（蓝色），我们看下两个之间的差别是什么。就是100mV放大10倍是1伏，经过隔直电容之后它有个衰减，衰减有100mV左右，我们看下它静态工作点并不准确的工作在0伏上的，因为直流信号，我们就要考虑直流参数，我们去把它调整好。

R2这个电阻的取值等价与R1和R3串联之后与R4并联的值，那么我们改下R2这个电阻改成50K。

改了这个电阻之后，基本上它就工作在0伏静态工作点上了，影响工作点飘移的是因为Ib经过电阻R2产生的电压，如果说R2电阻值不等于R1和R3串联然后并联R4的值的话，然后Ib的影响不能被处理掉了，很明显。那么现在我们对Ib的处理之后，那么我们只剩下对失调电压的处理，因为运放芯片失调电压相对来说是小的，放大10倍飘移的也比较小，就是说这里可以不管它。

大家看实验板的时候，所有的输出不是都加了RC滤波吗，C6处都是串的电阻（1、RC滤波，2、防止震荡），然后这里接个电容行不行？无论是串电容还是穿电阻都是可以的，就是说这个地方串电阻的话，那么输出信号是带直流偏置的，因为我们处理的很好了吗，直流偏置只有2mV，如果说串电容的话，其实它对信号是有衰减的，所以用一个小点的电容，例如0.1uF的电容。

4、反相放大，单电源供电交流信号

它是单电源供电，处理交流信号，我们来看下仿真电路图。

输入是100mV的信号，放大10倍，那么的出来的应该是1伏。仿真结果如下图

那么看到它的上半周被截掉了，然后我们大概可以看出，正好是电源轨以上的部分，那么我们可以看到它的工作点是工作在5伏。也就是工作在电源轨。但是我们实际上，我们给它的一个偏置是2.5伏的偏置（R2和R5分压获得），那它怎么会在工作在电源轨上呢？那么我们把R3去掉看下，如下图。

放大接近1伏，大概放大了10被，它的静态工作点也在2.5伏，为什么把这个电阻去掉它的静态工作点就正常了呢？我们来分析下，我们这个电路，同相端给了一个2.5伏的偏置电压，反相端也给了一个（根据运放的虚短和虚断，我们可以判断出，反相端也是2.5伏），因为R3接地吗，反馈端会通过R3将电流到地，那R4点的直流电压是2.5伏乘以十一分之十，大概是2.27，那么R3上的电压就是2.27伏，那R1电阻上的分担的电压是0.23，因为有了R3这个电阻之后，直流信号的反馈它是有回路的，那么R4上边点相当于有一个0.23伏的直流信号，经过运放放大，放大10倍，那么我们输出端就会有2.3伏的直流信号（因为经过运放放大了），本身加上同相端的一个偏置2.5伏，那么输出端的直流电压就是4.8伏，这就是说为什么加了R3电阻之后，输出上半周会工作在电源轨，导致上半周被截掉。解决方法，两种方式：1、把R3电阻去掉（去掉就可以了，这个电阻去掉没有什么影响的），2、把R3电阻阻值增大，把它变成1000KΩ，R1上的电阻分压特别小，让R3上的电压尽可能接近2.5伏。

我们刚才是把电阻去掉了，刚好能输出嘛，那我们把这个电阻增大看下结果。

我们看到这个波形已经是正常的了，无非是静态工作点往上偏了一点，因为我们是交流信号，它稍微偏一点，不影响动态输出范围，是没有关系的。那么它稍微偏一点我们对它进行个处理就可以了，那么R6换成一个很小的电容就可以了。换成电容如下图

我们看到几乎接近0这个静态工作点上了。

5、总结

好，我们对反相放大三个放大电路的仿真已经做完了，那么我们会发现直流信号，只要是双电源是没有什么难度的，稍微有点难度的，不好理解的单电源供电涉及到交流信号，因为单电源交流信号的时候，需要偏置，那么偏置会把人搞的晕头转向，对于交流信号就是输入偏置的调整（同相端、反相端），输入/出动态范围，即便不在0伏，0伏中心偏移一点都没有关系。

我们已经有实验板了，为什么还去做仿真，不得不说仿真是很方便的，只做仿真，不做测试会感觉是非常虚的，所以说我们还是经验需要用，需要动手。有些情况，仿真是不能很好的表达出来，电源不能仿真，PCB不能仿真。就是我们知道怎么设计运放之后，那么都是运放之外的处理，PCB布线，对信号源的理解等，如果你掌握了运放的设计套路之后，那么就游刃有余了。

运放设计的套路就是，1、看信号，2、看电源，3、定电路结构，4、选择运放芯片

如果是大的直流信号，不是小信号的话，其实是不用选运放的，就是358就可以。更多的时候对小信号的处理需要花些心思，琢磨一下了。

到此本章内容结束！

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