采用反相正基准电压电路的同相运算放大器（运放）

设计目标

输入 ViMin	输入 ViMax	输出VoMin	输出VoMax	电源电压Vcc	电源电压Vee	电源电压Vref
2V	5V	0.05V	4.95V	5V	0V	2.5V

设计说明1

此设计使用具有反相正基准的同相放大器将 2V 至 5V 的输入信号转换为 0.05V 至 4.95V 的输出电压。此电路可用于将具有正斜率和正偏移器输出电压转换为可用的 ADC 输入电压范围。

采用反相正基准电压电路的同相运算放大器

设计说明2

请使用运算放大器线性输出运行范围。通常需要在 AOL 测试条件下指定该范围。
查看运算放大器输入共模电压范围。共模电压因输入电压而异。
Vref 必须具有低阻抗。
该电路的输入阻抗等于 R3 与 R4 之和。
在反馈环路中选择使用低阻值电阻器。建议使用阻值小于 100kΩ 的电阻器。使用高阻值电阻可能会减小放大
器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
电路的截止频率取决于放大器的增益带宽积 (GBP)。
如果使用了高阻值电阻器，那么添加一个与 R1 并联的电容器将提高电路的稳定性。

设计步骤

V o = V i × ( R 4 R 3 + R 4 ) ( R 1 + R 2 R 2 − V R E F × ( R 1 R 2 ) V_o =V_i \times ( \frac{R4}{R3+R4}) ( \frac {R1+R2}{R2} - V_{REF} \times ( \frac{R1}{R2}) Vo=Vi×(R3+R4R4)(R2R1+R2−VREF×(R2R1)

计算可生成最大输出摆幅的输入的增益。
V o m a x − V o m i n = （ V i m a x − V i m i n ) R 4 R 3 + R 4 R 1 + R 2 R 2 V_{omax} − V_{omin} = （V_{imax} − V_{imin}) \frac{R4}{ R3 +R4} \frac{R1 +R2}{R2} Vomax−Vomin=（Vimax−Vimin)R3+R4R4R2R1+R2
V o m a x − V o m i n V i m a x − V i m i n = R 4 R 3 + R 4 R 1 + R 2 R 2 \frac{V_{omax} − V_{omin}}{V_{imax} − V_{imin}}= \frac{R4}{ R3 +R4} \frac{R1 +R2}{R2} Vimax−ViminVomax−Vomin=R3+R4R4R2R1+R2

4.95 V − 0.05 V 5 V − 2 V = R 4 R 3 + R 4 R 1 + R 2 R 2 \frac{4.95V − 0. 05V}{5V − 2V}= \frac{R4}{ R3 +R4} \frac{R1 +R2}{R2} 5V−2V4.95V−0.05V=R3+R4R4R2R1+R2
1.633 V V = R 4 R 3 + R 4 R 1 + R 2 R 2 1. 633 \frac{V}{V} = \frac{R4}{ R3 +R4} \frac{R1 +R2}{R2} 1.633VV=R3+R4R4R2R1+R2

选取 R1 和 R4 的值，并将这些值代入上一个方程式。另外两个电阻器的阻值必须利用方程组来求解。如果有两个以上的变量未确定，则无法计算出适当的输出摆幅和失调电压。
R 1 = R 4 = 1 k Ω R1 =R4 =1 kΩ R1=R4=1kΩ
1.633 V V = ( 1 k Ω R 3 + 1 k Ω ) ( 1 k Ω + R 2 R 2 ) 1. 633 \frac{V}{V} = (\frac{1 kΩ}{R3 +1 kΩ})(\frac{1 kΩ+R2}{R2}) 1.633VV=(R3+1kΩ1kΩ)(R21kΩ+R2)
用 R2 来表示 R3 的方式来求解之前的方程式。
R 3 = 1 M Ω + 1 k Ω × R 2 1.633 × R 2 − 1 k Ω R3 = \frac{1 MΩ + 1 kΩ \times R2} {1. 633 \times R2} − 1 kΩ R3=1.633×R21MΩ+1kΩ×R2−1kΩ
在放大器的线性输出范围内沿传递函数选择任意点，在输出端设置适当的失调电压（例如，最小输入和输出电压）。
V o m i n = V i m i n × R 4 R 3 + R 4 R 1 + R 2 R 2 − V r e f × R 1 R 2 V_{omin} =V_{imin} \times \frac {R4}{R3 +R4} \frac{R1 +R2}{R2}− Vref \times \frac{R1}{R2} Vomin=Vimin×R3+R4R4R2R1+R2−Vref×R2R1
0.05 V = 2 V × 1 k Ω R 3 + 1 k Ω 1 k Ω + R 2 R 2 − V r e f × 1 k Ω R 2 0.05V = 2V \times \frac{1 kΩ}{ R3 +1 kΩ} \frac{1 kΩ + R2}{R2}− Vref \times \frac{1 kΩ}{R2} 0.05V=2V×R3+1kΩ1kΩR21kΩ+R2−Vref×R21kΩ
将第 3 步得出的 R3 代入第 4 步的方程式，求解出 R2。
0.05 V = 2 V × ( 1 k Ω 1 M Ω + 1 k Ω × R 2 1.633 × R 2 − 1 k Ω + 1 k Ω ) ( 1 k Ω + R 2 R 2 ) − V r e f × 1 k Ω R 2 0. 05V = 2V \times( \frac{1 kΩ}{ \frac{1 MΩ + 1 kΩ \times R2}{1. 633 \times R2}− 1 kΩ + 1 kΩ})(\frac{1 kΩ + R2}{R2})− Vref \times \frac{1 kΩ}{R2} 0.05V=2V×(1.633×R21MΩ+1kΩ×R2−1kΩ+1kΩ1kΩ)(R21kΩ+R2)−Vref×R21kΩ
R 2 = 777.2 Ω ≈ 777 Ω R2 =777 . 2Ω ≈ 777Ω R2=777.2Ω≈777Ω
将第 5 步计算出的 R2 值代入方程式，并求解 R3。
R 3 = 1 M Ω + ( 1 k Ω × R 2 ) 1.633 × R 2 − 1 k Ω R3 = \frac{1 MΩ + (1 kΩ \times R2)}{1. 633 \times R2}− 1 kΩ R3=1.633×R21MΩ+(1kΩ×R2)−1kΩ
R 3 = 1 M Ω + 1 k Ω × 777 Ω 1.633 × 777 Ω − 1 k Ω = 400.49 Ω ≈ 402 Ω R3 = \frac{1 MΩ + 1 kΩ \times 777Ω}{1. 633 \times 777Ω}− 1 kΩ = 400 . 49Ω ≈ 402Ω R3=1.633×777Ω1MΩ+1kΩ×777Ω−1kΩ=400.49Ω≈402Ω

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

设计特色运算放大器TSV912

Vss	2.5V 至 5.5V
VinCM	轨到轨
Vout	轨到轨
Vos	0.3 mV
Iq	550 µA
Ib	1pA
UGBW	8 MHz
SR	4.5V/µs
通道数	1、2 和 4

设计备选运算放大器OPA191

Vss	4.5V 至 36V
VinCM	轨到轨
Vout	轨到轨
Vos	5µV
Iq	140 µA/通道
Ib	5pA
UGBW	2.5 MHz
SR	5.5V/µs
通道数	1、2 和 4