設(shè)計目標

設(shè)計說明

這款低通同相電路可將信號電平放大 20V/V (26dB)，并將極點設(shè)為 10kHz，以過濾信號。元件 R₁ 和 C₁ 可在同相引腳上產(chǎn)生低通濾波。此電路的頻率響應(yīng)與無源 RC 濾波器的相同，除非輸出按放大器的通帶增益進行放大。元件 C₂ 和 R₃ 用于設(shè)置同相放大器的截止頻率 f_c。

設(shè)計說明

1. 共模電壓等于施加于運算放大器同相輸入端的輸入電壓。
2. 使用高阻值電阻可能會減小電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。
3. 設(shè)置由 R₃ / C₂ 生成的極點頻率，使它為由 R₁ / C₁ 生成的極點的十倍，以實現(xiàn)由 R₁ / C₁ 控制的單極點滾降。如果濾波器對 R₁ / C₁ 和 R₃ / C₂ 擁有相同的極點頻率，截止頻率下的增益將下降 6dB。另外，增益以每十倍頻變化 –40dB 的速率下降，直到響應(yīng)到達 0dB，之后斜率將變?yōu)槊渴额l變化 –20dB，直到運算放大器用盡帶寬。
4. C₂ 限制同相增益級的帶寬。
5. 避免將容性負載直接放置在放大器的輸出，從而更大限度減少穩(wěn)定性問題。
6. 大信號性能可能會受到壓擺率的限制。因此，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表中的最大輸出擺幅與頻率間的關(guān)系圖，以最大程度地減小轉(zhuǎn)換導致的失真。
7. 有關(guān)運算放大器線性運行區(qū)域、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換導致的失真、容性負載驅(qū)動、驅(qū)動 ADC 和帶寬的更多信息，請參閱設(shè)計參考 部分。

設(shè)計步驟

此電路的 DC 傳遞函數(shù)遵循：

1. 計算增益。
   $\text{Gain = }\frac{{\text{V}}_{\text{oMax} }{\text{– V}}_{\text{oMin}}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}{\text{ – V}}_{\text{iMin}}}\text{=}\frac{\text{2V – (–2V)}}{\text{0.1V – (–0.1V)}}\text{ = 20}\frac{\text{V}}{\text{V}}$
2. 計算 R₂ 和 R₃ 的值。
   $\text{Gain = 1 +}\frac{{\text{R}}_{\text{3}}}{{\text{R}}_{\text{2}}}\text{= 20}\frac{\text{V}}{\text{V}}\text{→} \text{(26dB)}$

   選擇 R₂ = 1kΩ：

   ${\text{R}}_3{\text{=（增益 – 1）× R}}_2\text{= 19k?}$
3. 計算元件值 R₁ 和 C₁，設(shè)置截止頻率 f_c。選擇 R₁ 值然后計算 C₁，以設(shè)置 f_c 的位置。

   選擇 R₁ = 1kΩ：

   ${\text{C}}_1\text{=} \frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_1{\text{× f}}_c}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π × 1k? × 10kHz}}\text{= 15.92nF ≈ 16nF（標準值）}$
4. 計算 C₂ 值，設(shè)置運算放大器的截止頻率 (f_c)。選擇轉(zhuǎn)角頻率，使其至少為 f_c 的十倍。
   ${\text{C}}_2\text{=} \frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_3\text{×}\mathrm{100kHz}}=\frac{\text{1}}{\text{2π × 19k? × 100kHz}}\text{= 83.77pF ≈ 82pF（標準值）}$

設(shè)計仿真

交流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

1kHz，0.2V_PP 的正弦波可產(chǎn)生 4V_PP 的輸出正弦波。

100kHz，0.2V_PP 的正弦波可產(chǎn)生 0.071V_PP 的輸出正弦波。

設(shè)計參考資料

1. 請參閱《模擬工程師電路設(shè)計指導手冊》，了解有關(guān) TI 綜合電路庫的信息。
2. SPICE 仿真文件 SBOC528。
3. TI 高精度實驗室
4. 請參閱交流耦合單電源反相和非反相放大器參考設(shè)計。

設(shè)計采用的運算放大器

設(shè)計備選運算放大器