设计目标

设计说明

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的传感器输出电压转换为可用的 ADC 输入电压范围。

设计说明

1. 请使用运算放大器线性输出运行范围。通常需要在 A_OL 测试条件下指定该范围。
2. 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。
3. V_ref 必须具有低阻抗。
4. 该电路的输入阻抗等于 R₃ 与 R₄ 之和。
5. 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。
6. 电路的截止频率取决于放大器的增益带宽积 (GBP)。
7. 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

1. 计算可生成最大输出摆幅的输入的增益。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}=\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ \frac{4.95\mathrm{V}-0.05\mathrm{V}}{5\mathrm{V}-2\mathrm{V}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ 1.633\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
2. 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。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_4=1 \mathrm{k\Omega } \\ 1.633\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_3+1 \mathrm{k\Omega }}\right)\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
3. 用 R₂ 来表示 R₃ 的方式来求解之前的方程式。
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+\left(1 \mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{R}}_2\right)}{1.633\times {\mathrm{R}}_2}-1 \mathrm{k\Omega }$
4. 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）。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ 0.05\mathrm{V}=2\mathrm{V}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_3+1 \mathrm{k\Omega }}\right)\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
5. 将第 3 步得出的 R₃ 代入第 4 步的方程式，求解出 R₂。
   $$\begin{gathered} 0.05\mathrm{V}=2\mathrm{V}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{\frac{1 \mathrm{M\Omega }+1 \mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{R}}_2}{1.633\times {\mathrm{R}}_2}-1 \mathrm{k\Omega }+1 \mathrm{k\Omega }}\right)\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ {\mathrm{R}}_2=777.2\mathrm{\Omega }\approx 777\mathrm{\Omega } \end{gathered}$$
6. 将第 5 步计算出的 R₂ 值代入方程式，并求解 R₃。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+\left(1 \mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{R}}_2\right)}{1.633\times {\mathrm{R}}_2}-1 \mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+1 \mathrm{k\Omega }\times \left(777\mathrm{\Omega }\right)}{1.633\times \left(777\mathrm{\Omega }\right)}-1 \mathrm{k\Omega }=400.49\mathrm{\Omega }\approx 402\mathrm{\Omega } \end{gathered}$$

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。

请参阅电路 SPICE 仿真文件 SBOC512。

请观看有关输入和输出限制的 TI 精密实验室视频。

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器