基于軟件仿真驗證的運放電路設(shè)計方法

　　0 引言

　　集成運算放大器廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中，可以進行信號的放大、運算(加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等)、處理(調(diào)制)以及波形的產(chǎn)生和變換。積分器和濾波器就是運放器件輔以外圍電路后的兩種典型應(yīng)用電路。當(dāng)外圍電路較為復(fù)雜時，輸入/輸出關(guān)系的表征就會變得較為繁瑣和困難。Proteus 軟件具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和仿真功能，是目前能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M行較好仿真的軟件，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的設(shè)計。本文探討了使用仿真軟件設(shè)計電路的可行性，并給出了典型的電壓反饋取樣電路設(shè)計方法。

　　1 積分器和濾波器工作原理

　　1.1 積分器工作原理

　　積分器的基本電路和實際應(yīng)用電路如圖1(a)，(b)所示。積分器的基本電路輸入/輸出電壓關(guān)系如下：

　　在實際應(yīng)用中，積分器的反饋電容C與電阻RF并聯(lián)，其輸入/輸出電壓關(guān)系如下：

　　當(dāng)輸入的工頻信號幅值為5 V時，RF和R1的固定比值分別取為20 kΩ和10 kΩ。采用Proteus仿真軟件對電容取值不同的輸入/輸出進行了仿真驗證，結(jié)果如表1和圖2所示。

　　可見，當(dāng)輸入頻率大于f0時，電路為積分器;當(dāng)輸入頻率小于f0時，電路為反相器。低頻電壓增益為：

　　1.2 濾波器快速設(shè)計

　　無限增益多路反饋二階低通濾波器電路如圖3所示。

　　設(shè)計步驟如下：

　　(1)根據(jù)截止頻率，從表2中選定一個電容C的標(biāo)稱值，使其滿足下式：

　　(2)從表3查出與AV對應(yīng)的電容值及K=1時的電阻值，將電阻值乘以K后，得到電阻的設(shè)計值。濾波器的基本性能參數(shù)為Q=0.707，AV=-R2/R1。

　　2 電壓反饋取樣電路設(shè)計

　　2.1 濾波器移相補償

　　濾波器是改善電能質(zhì)量的有效措施，但相移計算起來較為繁瑣，如式(5)所示：

　　為了克服不足，通過軟件仿真可快速得出相移大小，在需要同步的電路中為移相電路提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。圖3的輸入/輸出電壓曲線如圖4所示。其中輸入電壓幅值為5 V，頻率為50 Hz。 [!--empirenews.page--]由圖4可見，相移大小為，得出θ=122°。輸出電壓也可由理論近似計算相等，而得到的精確值為4.56 V。

　　2.2 電壓反饋取樣電路

　　電壓反饋取樣電路由移相、全波精密整流和積分放大電路三部分組成，如圖5所示。移相電路用以將輸出側(cè)的交流電壓形成兩路正交信號。將全波精密整流設(shè)計成輸入/輸出間的比例為1。積分放大電路對合成后的脈動直流信號作平滑放大處理。

　　以對輸入幅值2 V的工頻電壓信號取樣為例，經(jīng)過移相和全波精密整流后，作為積分放大器的輸入信號，是兩路為2|sinωt|和2|cosωt|的正交信號，合成為 uf="2"(|sinωt|+|cosωt|)作脈動變化的直流信號，因為1≤(|sinωt|+|cosωt|)≤，考慮到RF/R1的反相放大作用，積分放大電路的輸出信號uf在0～5.66 V之間變化，圖6給出電容分別取15.9μF和1.59μF時的輸出電壓曲線。當(dāng)電容為15.9μF時時間常數(shù)τ=RC=0.318 s，經(jīng)過5τ=1.59 s到達穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)電容為1.59μF時的時間常數(shù)τ=RC=0.031 8 s，經(jīng)過5τ=0.159 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)并與圖中曲線衰減規(guī)律一致。一般集成電路器件的輸入電壓在10 V以內(nèi)，通過理論計算獲得脈動直流信號的積分輸出變化規(guī)律較為困難，可以通過軟件仿真的方法得出輸出值的變化規(guī)律，在積分放大器的輸入信號中加以基準(zhǔn)源，即可限制輸出信號的幅值。對于圖5可取基準(zhǔn)源信號為-4.5 V。最終可獲得正紋波很小的反應(yīng)輸入電壓變化的直流信號。

　　3 結(jié)語

　　對濾波器和積分器的工作原理進行了說明，指出在實踐設(shè)計過程中，當(dāng)運算放大器外圍器件較多，輸入/輸出關(guān)系需要精確考慮，而理論計算繁瑣或較為困難時，采用軟件仿真是準(zhǔn)確、有效、便捷的輔助手段。以濾波器的相移和電壓反饋取樣電路為例，詳細(xì)說明了采用軟件仿真驗證的設(shè)計過程，可以使用該法設(shè)計其他電子電路，本文設(shè)計的電壓反饋取樣電路極具參考價值。