同相放大电路的工作原理分析

1、工作原理分析

图1.1为基本同相放大电路，输入信号VIN直接连接到运算放大器同相输入端，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;根据“虚断”工作原理，无电流流入运算放大器反相输入端，所以：

图1.1同相放大电路

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1.2所示。

图1.2 偏置点仿真分析设置

偏置点仿真分析结果：

小信号特性：

通过仿真分析结果可得：同相放大电路电压增益为2;输入阻抗为9.967E+11;输出阻抗为2.631E-03;电阻R1和R2对输出电压最敏感，分别为-1%和1%。

2、直流仿真分析：DC SWEEP

图1.3 直流仿真分析设置

对电路进行直流仿真分析，具体设置如图1.3所示，输入电压VIN从-10V线性增加至10V，步进为1mV，仿真结果如图1.4所示。

图1.4 输出电压VOUT波形

图1.4为VOUT输出电压波形，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1.5 瞬态仿真分析设置

对电路进行瞬态仿真分析，如图1.5所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.6所示。

图1.6 输入和输出电压波形

图1.6为瞬态仿真波形，V(V2)为输入电压波形，V(VOUT)为输出电压波形，电路实现2倍同相放大功能。

4、交流和参数仿真分析：AC Sweep、Parametric Sweep

图1.7 交流仿真分析设置

图1.8 参数仿真分析设置

对电路进行交流仿真分析设置，如图1.7所示，频率范围10kHz—3megHz，每十倍频20点;对电阻R2进行参数仿真分析设置，如图1.8所示，参数值分别为1k、3k和7k;仿真结果如图1.9所示。

图1.9 输出电压频率特性曲线：电阻R2从上到下分别为7k、3k和1k

当电阻R2=1k时增益为2，带宽约为2megHz;当电阻R2=3k时增益为4，带宽约为1megHz;当电阻R2=7k时增益为8，带宽约为0.5megHz;增益带宽积同为4megHz。

5、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

图1.10 直流仿真分析设置

图1.11 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1.10和图1.11所示。电阻容差为平均分布5%。仿真结果如图1.12所示：最大值约为2.09V，最小值约为1.91V，仿真次数为100。

图1.12 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1.13 最坏情况仿真设置

图1.14 最坏情况输出设置：输出电压最大值

直流和最坏情况仿真设置如图1.13和图1.14所示，输出电压最大值仿真结果如下：

当R1取95%、R2取105%时输出电压最大，最大值为2.1052 V，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1.15 最坏情况输出设置：输出电压最小值

最坏情况仿真设置如图1.15所示，输出电压最小值仿真结果如下：

当R1取105%、R2取95%时输出电压最小，最小值为1.9047 V，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。

2、附录——关键仿真器模型