1、工作原理分析
图1.21为运放反相放大电路,运放同相输入端直接接地,输入信号VIN通过电阻R1连接到运放反相输入端,电阻R1和R2构成输出电压反馈电路。
根据放大器正常工作时的“虚短”工作原理,电路中节点电压V1=V2=0V;根据“虚断”工作原理,无电流流入运放反相输入端,所以:
图1.21 反相放大电路
1、偏置点分析:Bias Point
利用偏置点分析,计算小信号电压增益、输入阻抗、输出阻抗和每个元器件相对输出信号的灵敏度,仿真设置如图1.22所示。
图1.22 偏置点仿真分析设置
偏置点仿真分析结果:
通过仿真分析结果可得:反相放大电路电压增益为-2;输入阻抗为1.000E+03,即R1阻值;输出阻抗为3.936E-03;电阻R1和R2对输出电压最敏感,分别为-2%和2%。
2、直流仿真分析:DC SWEEP
图1.23 直流仿真分析设置
对电路进行直流仿真分析,如图1.23所示,输入电压VIN从-10V线性增加至10V,步进1mV。仿真结果如图1.24所示。
图1.24 输出电压VOUT波形
图1.24为输出电压VOUT波形:随着输入电压增大输出电压逐渐降低;当输出电压范围在-13.5VOUT13.5时,输出电压与输入电压成线性关系,超出范围时输出饱和。
3、瞬态仿真分析:Time Domain
图1.25 瞬态仿真分析设置
对电路进行瞬态仿真分析设置,如图1.25所示,仿真时间2ms、最大步长5us,仿真结果如图1.26所示。
图1.26 输入和输出电压波形
图1.26为瞬态仿真波形,V(IN)为输入电压波形,V(VOUT)为输出电压波形,电路实现-2倍反相放大功能。
4、交流和参数仿真分析:AC Sweep、Parametric Sweep
图1.27 交流仿真分析设置
图1.28 参数仿真分析设置
对电路进行交流仿真分析,如图1.27所示,频率范围10kHz—3megHz,每十倍频20点;对电阻R2进行参数仿真分析,如图1.28所示,参数值分别为:2k、4k和8k。仿真结果如图1.29所示。
图1.29 输出电压频率特性曲线:电阻R2从上到下分别为8k、4k和2k
当电阻R2=2k时增益为-2,带宽约为1.32megHz;当电阻R2=4k时增益为-4,带宽约为0.75megHz;当电阻R2=8k时增益为-8,带宽约为0.4megHz;增益带宽积分别为2.64megHz、3megHz和3.2megHz,误差约为10%,基本符合增益带宽积为恒定值设计规则。
5、直流和蒙特卡洛仿真分析:DC Sweep、Monte Carlo
图1.30 直流仿真分析设置
图1.31 蒙特卡洛仿真分析设置
当输入直流电压为-1V时对电路进行蒙特卡洛仿真分析,仿真设置如图1.30和图1.31所示。电阻容差为平均分布5%,仿真结果如图1.28所示,最大值约为2.19V,最小值约为1.83V,仿真次数为100。
图1.32 输出电压蒙特卡洛仿真数据
6、直流和最坏情况仿真分析:DC Sweep、Worst case
由电路可知,当电阻R1取-5%容差、R2取+5%容差时输出电压最大,最大值为:
图1.33 最坏情况仿真设置
图1.34 最坏情况输出设置:输出最大值
当R1取95%、R2取105%时输出电压最大,最大值为2.2105V,与计算值一致。
由电路可知,当电阻R1取+5%容差、R2取-5%容差时输出电压最小,最小值为:
图1.35 最坏情况输出设置:输出最小值
当R1取105%、R2取95%时输出电压最小,最小值为1.8095V,与计算值一致。
电阻容差越大,最坏情况下输出电压偏离正常值最大,读者可以自行仿真验证。
附录——关键仿真器件模型
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