设计目标

设计说明

该双电源至单电源反相放大器可将 ±10V 信号转换为 0V 至 5V 信号，以用于 ADC。可以使用给定的公式轻松调节电平。只要第一级输出为低阻抗，就可以将缓冲器替换为其他 ±15V 配置，以适应所需的输入信号。

设计说明

1. 观察输入缓冲器的共模限制。
2. 如果不使用缓冲放大器 U1，那么高阻抗源将改变 U₂ 的增益特性。
3. 如果 ±15V 电源在 5V 电源之前出现，那么 R₆ 会为 U₁ 的输出提供接地路径。这可以通过 R₁、R₂ 和 R₆ 创建的分压器限制 U₂ 的反相引脚上的电压，并防止 U₂ 以及可能连接到其输出的任何转换器损坏。为了向器件提供最佳的保护，应在 U₂ 的电源引脚上使用瞬态电压抑制器 (TVS)。
4. R₅ 上的电容器将有助于对 V_ref 进行滤波并提供更干净的 V_shift。

设计步骤

此电路的传递函数遵循：

1. 设置放大器的增益。
   $\frac{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}=\frac{\text{4.8 }\mathrm{V}-\text{0.2 }\mathrm{V}}{\text{10 }\mathrm{V}-(-\text{10 }\mathrm{V})}=0.23$
   $\frac{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}$
   ${\mathrm{R}}_2=\text{0.23×}{\mathrm{R}}_1$
   $\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_1=\text{100}\mathrm{k\Omega } (\mathrm{standard} \mathrm{value})$
   ${\mathrm{R}}_2=\text{23}\mathrm{k\Omega } (\mathrm{for} \mathrm{standard} \mathrm{values} \mathrm{use} \text{22}\mathrm{k\Omega } \mathrm{and} \text{1}\mathrm{k\Omega } \mathrm{in} \mathrm{series})$
2. 设置 V_shift，以将信号转换为单电源。
   $\mathrm{At} \mathrm{midscale}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{in}}=\text{0}\mathrm{V}$
   $\mathrm{Then} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}=\left(1+\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}} = \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{\left(1+{\displaystyle \frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}}\right)}=\frac{\text{2.5}\mathrm{V}}{\text{1.23}}=\text{2.033}\mathrm{V}$
3. 为基准电压分压器选择电阻器，以实现 V_shift。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=\text{4.096}\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{({\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4)+{\mathrm{R}}_5}$
   $\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}=\frac{\text{2.033}\mathrm{V}}{\text{4.096}\mathrm{V}}=\frac{{\mathrm{R}}_5}{({\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4)+{\mathrm{R}}_5}$
   ${\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4=\text{1.0161 }\times {\mathrm{R}}_5$
   $\mathrm{Select} \mathrm{a} \mathrm{standard} \mathrm{value} \mathrm{for} {\mathrm{R}}_5$
   ${\mathrm{R}}_5=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4=\text{10.161}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_4=\text{162}\mathrm{\Omega } (\mathrm{standard} 1\% \mathrm{value})$
4. 大反馈电阻器可能与输入电容相互作用，从而导致不稳定。选择 C₁，以便为传递函数添加一个极点，从而抵消该不稳定性。极点的频率必须低于运算放大器的有效带宽。
   ${\mathrm{C}}_1=\text{43}\mathrm{pF}$

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

瞬态仿真结果

设计参考资料

德州仪器 (TI)，SBOMAT9 TINA-TI™ 电路仿真，文件下载

德州仪器 (TI)，TIPD148 电平转换：双电源至单电源放大器，±15V 至 5V，产品页面

设计特色运算放大器

设计特色运算放大器