Part 01

前言

同相放大電路是一種經典的運算放大器的電路配置，廣泛用于信號處理、傳感器接口和精密模擬電路中。其高輸入阻抗、低輸出阻抗以及靈活可調的增益，使其在放大弱信號、隔離輸入信號和阻抗匹配等場合尤為重要。今天我們就詳細講一講同相放大電路的計算以及仿真。

Part 02

電路設計指標

輸入電壓：±1V的正弦波電壓，頻率10KHz

輸出電壓：±2V的正弦波電壓，頻率10KHz

分析：

輸出電壓±2V，這意味著運放需要采用雙電源供電，我們采用±5V電源為運放供電。

Part 03

設計步驟

1.同相放大電路的輸入輸出傳遞函數：

Vo=Vin*G=Vin*(1+R2/R1）

2.輸入電壓：±1V的正弦波電壓，頻率10KHz，輸出電壓：±2V的正弦波電壓，頻率10KHz，從而可以得到電路的增益G為2V/V。

3.計算R1和R2的電阻值

(1+R2/R1）=2

R2/R1=1

如果R1=1K，那么R2=1K

4.評估需要所選運放的壓擺率指標

運放的壓擺率（Slew Rate）是描述運算放大器動態性能的一個關鍵參數，表示運放輸出電壓隨時間變化的最大速率，單位通常為V/μs。當輸入信號頻率或幅度較高時，若運放的壓擺率不足，輸出信號將無法正確跟隨輸入信號變化，導致波形失真。當輸出信號欲實現比這個速率還快的變化時，運放就不能提供了，導致輸出波形變形一一原本是正弦波就變成了三角波。

SR=2*3.14*Va*f=2*3.14*1V*10KHz=0.0628 V/μs

我們在選擇運放時，要確保所選運放的壓擺率>0.0628 V/μs才行。

5.增益帶寬積（GBP）限制了電路的頻率響應。增益電路的增益G與運放的帶寬f滿足

G*f=2*10KHz=20KHz<運放的增益帶寬積GBW

我們在選擇運放時，要確保所選運放的增益帶寬積GBW>20KHz才行。

Part 04

仿真結果

輸入輸出信號波形：

直流掃描驗證電路增益：

交流仿真分析：

-3dB帶寬約為5.218292MHz

Part 04

注意事項

1.電阻選擇使用電阻值不宜過大，避免熱噪聲過高。

2.增益越高，電路越容易受到寄生參數的影響，適當降低增益或選擇帶寬更高的運放，可以基于增益帶寬積指標評估。

3.運放的壓擺率滿足輸入信號頻率和幅度的需求，若壓擺率不足，正弦波可能失真為三角波。

4.選擇低偏置電流和低失調電壓的運放，尤其在高阻抗輸入情況下，減少誤差。

5.確保運放的電源電壓范圍適合應用需求，例如±15V或單電源5V、3.3V 等。

6.在運放電源引腳附近添加去耦電容，以抑制電源噪聲和高頻干擾。

7.在高頻信號放大時，注意運放的頻率響應，避免帶寬不足導致增益下降。在反饋電阻R2上并聯小電容形成低通濾波，改善高頻穩定性。也可在輸入端引入RC濾波器，抑制高頻噪聲。

8.同相放大電路輸入阻抗較高，通常為運放自身輸入阻抗，應匹配信號源輸出阻抗，以減少信號衰減。

9.輸出端需考慮負載阻抗，確保運放的輸出能力足以驅動負載，避免過載或失真。

10.在高增益或高頻設計中，注意運放的功耗，避免因溫升導致性能下降。

11.PCB布局時反饋電阻R2與運放反相端之間的連接應盡可能短且直接，減少寄生電感和電容。