设计目标

设计说明

这款低通同相电路可将信号电平放大 20V/V (26dB)，并将极点设为 10kHz，以过滤信号。元件 R₁ 和 C₁ 可在同相引脚上产生低通滤波。此电路的频率响应与无源 RC 滤波器的相同，除非输出按放大器的通带增益进行放大。元件 C₂ 和 R₃ 用于设置同相放大器的截止频率 f_c。

设计说明

1. 共模电压等于施加于运算放大器同相输入端的输入电压。
2. 使用高阻值电阻可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
3. 设置由 R₃ / C₂ 生成的极点频率，使它为由 R₁ / C₁ 生成的极点的十倍，以实现由 R₁ / C₁ 控制的单极点滚降。如果滤波器对 R₁ / C₁ 和 R₃ / C₂ 拥有相同的极点频率，截止频率下的增益将下降 6dB。另外，增益以每十倍频变化 –40dB 的速率下降，直到响应到达 0dB，之后斜率将变为每十倍频变化 –20dB，直到运算放大器用尽带宽。
4. C₂ 限制同相增益级的带宽。
5. 避免将容性负载直接放置在放大器的输出，从而更大限度减少稳定性问题。
6. 大信号性能可能会受到压摆率的限制。因此，应检查数据表中的最大输出摆幅与频率间的关系图，以最大程度地减小转换导致的失真。
7. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、容性负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，请参阅设计参考 部分。

设计步骤

此电路的 DC 传递函数遵循：

1. 计算增益。
   $\text{Gain = }\frac{{\text{V}}_{\text{oMax} }{\text{– V}}_{\text{oMin}}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}{\text{ – V}}_{\text{iMin}}}\text{=}\frac{\text{2V – (–2V)}}{\text{0.1V – (–0.1V)}}\text{ = 20}\frac{\text{V}}{\text{V}}$
2. 计算 R₂ 和 R₃ 的值。
   $\text{Gain = 1 +}\frac{{\text{R}}_{\text{3}}}{{\text{R}}_{\text{2}}}\text{= 20}\frac{\text{V}}{\text{V}}\text{→} \text{(26dB)}$

   选择 R₂ = 1kΩ：

   ${\text{R}}_3{\text{=（增益 – 1）× R}}_2\text{= 19kΩ}$
3. 计算元件值 R₁ 和 C₁，设置截止频率 f_c。选择 R₁ 值然后计算 C₁，以设置 f_c 的位置。

   选择 R₁ = 1kΩ：

   ${\text{C}}_1\text{=} \frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_1{\text{× f}}_c}\text{=}\frac{\text{1}}{\text{2π × 1kΩ × 10kHz}}\text{= 15.92nF ≈ 16nF（标准值）}$
4. 计算 C₂ 值，设置运算放大器的截止频率 (f_c)。选择转角频率，使其至少为 f_c 的十倍。
   $f_c {\text{= 10kHz；10 × f}}_c\text{ = 100kHz}$
   ${\text{C}}_2\text{=} \frac{\text{1}}{{\text{2π × R}}_3\text{×}\mathrm{100kHz}}=\frac{\text{1}}{\text{2π × 19kΩ × 100kHz}}\text{= 83.77pF ≈ 82pF（标准值）}$

设计仿真

交流仿真结果

瞬态仿真结果

1kHz，0.2V_PP 的正弦波可产生 4V_PP 的输出正弦波。

100kHz，0.2V_PP 的正弦波可产生 0.071V_PP 的输出正弦波。

设计参考资料

1. 请参阅《模拟工程师电路设计指导手册》，了解有关 TI 综合电路库的信息。
2. SPICE 仿真文件 SBOC528。
3. TI 高精度实验室
4. 请参阅交流耦合单电源反相和非反相放大器参考设计。

设计采用的运算放大器

设计备选运算放大器