基于軟件仿真驗證的運放電路設計方法

　　0 引言

　　集成運算放大器廣泛應用于電子電路的設計中，可以進行信號的放大、運算(加、減、乘、除、對數、反對數、平方、開方等)、處理(調制)以及波形的產生和變換。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用電路。當外圍電路較為復雜時，輸入/輸出關系的表征就會變得較為繁瑣和困難。Proteus 軟件具有模擬電路、數字電路和單片機應用系統的設計和仿真功能，是目前能夠對微處理器進行較好仿真的軟件，真正實現了從概念到產品的設計。本文探討了使用仿真軟件設計電路的可行性，并給出了典型的電壓反饋取樣電路設計方法。

　　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/輸出電壓關系如下：

　　在實際應用中，積分器的反饋電容C與電阻RF并聯，其輸入/輸出電壓關系如下：

　　當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，結果如表1和圖2所示。

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

　　1.2 濾波器快速設計

　　無限增益多路反饋二階低通濾波器電路如圖3所示。

　　設計步驟如下：

　　(1)根據截止頻率，從表2中選定一個電容C的標稱值，使其滿足下式：

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

　　2 電壓反饋取樣電路設計

　　2.1 濾波器移相補償

　　濾波器是改善電能質量的有效措施，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確數據。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。