当需要设计闭环增益 A v =-100且输入电阻 R i = R 1 =50kΩ的反相放大电路时,要求反馈电阻 R 2 为5MΩ。然而该电阻值在实际应用电路中使用并不现实,电阻值太大时准确度、稳定度、干扰抑制性均大大降低,所以通常采用T形网络提高反相放大电路的放大倍数。
图1.36为T形网络反相放大电路,表1.4为T形网络反相放大电路仿真元器件列表,整理得到电路放大倍数:
式中, R 1 为输入电阻,由输入信号决定; R 2 通常为10倍 R 1 阻值,然后再计算 R 3 和 R 4 阻值。为实现电路的稳定性和抗干扰性能,电阻值通常选择100kΩ以内。
图1.36 T形网络反相放大电路
表1.4 T形网络反相放大电路仿真元器件列表
(续)
图1.36中T形网络反相放大电路的放大倍数:
当输入信号为10mV时对电路进行仿真测试。
1.偏置点分析
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1.37所示。
图1.37 偏置点仿真设置
偏置点仿真分析结果如下。
(1)小信号特性
电压增益:V(VOUT)/V_VIN=-9.995E+01;约为-100
输入阻抗:INPUT RESISTANCE AT V_VIN=1.000E+03
输出阻抗:OUTPUT RESISTANCE AT V(VOUT)=1.390E-01
(2)
直流灵敏度
通过仿真分析结果可得:T形网络反相放大电压增益为-100;输入阻抗为1.000×10 3 Ω,即是 R 1 阻值;输出阻抗为1.390×10 -1 Ω;电阻 R 1 和 R 3 对输出电压最敏感,相对灵敏度分别为-1%和0.9%;电阻 R 2 和 R 4 灵敏度次之,所以电阻 R 1 和 R 3 的准确度和稳定度对电路输出稳定性至关重要。
2.瞬态和参数仿真分析
对电路进行瞬态和参数仿真分析,具体设置如图1.38和图1.39所示,仿真时间为2ms、最大步长为5μs;电阻 R 1 的阻值分别为1kΩ、0.5kΩ和0.25kΩ,对应放大倍数分别为-100、-200和-400。仿真结果如图1.40所示。
图1.38 瞬态仿真设置
图1.39 参数仿真设置
图1.40 输入和输出电压波形
瞬态和参数仿真波形具体如图1.40所示,当输入电压
V
(IN)
为10mV正弦波时,输出电压
峰值电压分别为1V、2V和4V,电路分别实现-100倍、-200倍和-400倍反相放大。
正如期望所料,所有电阻值均小于100kΩ却实现百倍放大。与通常设计题目一样,以上设计不存在唯一解。但由于电阻值存在容许误差,所以放大器的实际增益值将会在一定范围内波动,读者可以进行蒙特卡洛和最坏情况分析进行验证。