基于软件仿真验证的运放电路设计方法

　　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：

　　

 

　　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：

　　

 

　　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。

　　

 

　　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：

　　

 

　　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：

　　

 

　　

 

　　(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。

　　

 

　　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：

　　

 

　　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。