基于软件仿真验证的运放电路设计方法

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 0 引言

  集成运算放大器广泛应用于电子电路的设计中,可以进行信号的放大、运算(加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等)、处理(调制)以及波形的产生和变换。积分器和滤波器就是运放器件辅以外围电路后的两种典型应用电路。当外围电路较为复杂时,输入/输出关系的表征就会变得较为繁琐和困难。Proteus 软件具有模拟电路、数字电路和单片机应用系统的设计和仿真功能,是目前能够对微处理器进行较好仿真的软件,真正实现了从概念到产品的设计。本文探讨了使用仿真软件设计电路的可行性,并给出了典型的电压反馈取样电路设计方法。

  1 积分器和滤波器工作原理

  1.1 积分器工作原理

  积分器的基本电路和实际应用电路如图1(a),(b)所示。积分器的基本电路输入/输出电压关系如下:

  

基本电路输入

 

  在实际应用中,积分器的反馈电容C与电阻RF并联,其输入/输出电压关系如下:

  

输入

 

  当输入的工频信号幅值为5 V时,RF和R1的固定比值分别取为20 kΩ和10 kΩ。采用Proteus仿真软件对电容取值不同的输入/输出进行了仿真验证,结果如表1和图2所示。

  

仿真验证

 

  可见,当输入频率大于f0时,电路为积分器;当输入频率小于f0时,电路为反相器。低频电压增益为:

  

低频电压增益

 

  1.2 滤波器快速设计

  无限增益多路反馈二阶低通滤波器电路如图3所示。

  设计步骤如下:

  (1)根据截止频率,从表2中选定一个电容C的标称值,使其满足下式:

  

标称值

 

  

标称值

 

  (2)从表3查出与AV对应的电容值及K=1时的电阻值,将电阻值乘以K后,得到电阻的设计值。滤波器的基本性能参数为Q=0.707,AV=-R2/R1。

  

电阻值

 

  2 电压反馈取样电路设计

  2.1 滤波器移相补偿

  滤波器是改善电能质量的有效措施,但相移计算起来较为繁琐,如式(5)所示:

  

滤波器

 

  为了克服不足,通过软件仿真可快速得出相移大小,在需要同步的电路中为移相电路提供准确数据。图3的输入/输出电压曲线如图4所示。其中输入电压幅值为5 V,频率为50 Hz。 由图4可见,相移大小为,得出θ=122°。输出电压也可由理论近似计算相等,而得到的精确值为4.56 V。

 

  

相移大小

 

  2.2 电压反馈取样电路

  电压反馈取样电路由移相、全波精密整流和积分放大电路三部分组成,如图5所示。移相电路用以将输出侧的交流电压形成两路正交信号。将全波精密整流设计成输入/输出间的比例为1。积分放大电路对合成后的脉动直流信号作平滑放大处理。

  

电压反馈取样电路

 

  以对输入幅值2 V的工频电压信号取样为例,经过移相和全波精密整流后,作为积分放大器的输入信号,是两路为2|sinωt|和2|cosωt|的正交信号,合成为 uf="2"(|sinωt|+|cosωt|)作脉动变化的直流信号,因为1≤(|sinωt|+|cosωt|)≤,考虑到RF/R1的反相放大作用,积分放大电路的输出信号uf在0~5.66 V之间变化,图6给出电容分别取15.9μF和1.59μF时的输出电压曲线。当电容为15.9μF时时间常数τ=RC=0.318 s,经过5τ=1.59 s到达稳定状态;当电容为1.59μF时的时间常数τ=RC=0.031 8 s,经过5τ=0.159 s后达到稳定状态并与图中曲线衰减规律一致。一般集成电路器件的输入电压在10 V以内,通过理论计算获得脉动直流信号的积分输出变化规律较为困难,可以通过软件仿真的方法得出输出值的变化规律,在积分放大器的输入信号中加以基准源,即可限制输出信号的幅值。对于图5可取基准源信号为-4.5 V。最终可获得正纹波很小的反应输入电压变化的直流信号。

  

基准源信号

 

  3 结语

  对滤波器和积分器的工作原理进行了说明,指出在实践设计过程中,当运算放大器外围器件较多,输入/输出关系需要精确考虑,而理论计算繁琐或较为困难时,采用软件仿真是准确、有效、便捷的辅助手段。以滤波器的相移和电压反馈取样电路为例,详细说明了采用软件仿真验证的设计过程,可以使用该法设计其他电子电路,本文设计的电压反馈取样电路极具参考价值。

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