设计目标

设计说明

该设计将输入信号 V_in 反相并应用 1000V/V 或 60dB 的信号增益。具有 T 反馈网络的反相放大器可用于获得高增益，而无需 R₄ 具有很小的值或反馈电阻器具有很大的值。

设计说明

1. C₃ 和反馈电阻的等效电阻设置截止频率 f_p。
2. 该电路中的共模电压不随输入电压的变化而变化。
3. 使用高电阻值电阻器可能会减小相位裕度并增加噪声。
4. 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。
5. 由于电路增益较高，请务必使用具有足够增益带宽积的运算放大器。请记住在计算带宽时使用噪声增益。由于电路的高增益，请使用精密或低偏移器件。
6. 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

1. 计算所需增益。
   $\mathrm{增益}=\mathrm{ }\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}–{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}–{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}=\frac{\mathrm{2.5V}–\left(\mathrm{–2.5V}\right)}{\mathrm{2.5mV}–\left(\mathrm{–2.5mV}\right)}=1000\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\mathrm{60dB}$
2. 计算电阻值，以设置所需的增益。
   $\text{增益}=\left(\frac{\frac{{\text{R}}_{\text{2}}{\text{× R}}_{\text{1}}}{{\text{R}}_{\text{3}}}{\text{+ R}}_{\text{1}}{\text{+ R}}_{\text{2}}}{{\text{R}}_{\text{4}}}\right)$

   选择输入电阻 R₄ 为 1kΩ。为了获得 1000V/V 的增益，通常需要一个 1MΩ 的电阻器。T 网络允许我们在反馈回路中使用更小的电阻值。选择 R₁ 为 100kΩ、R₂ 为 9kΩ 可计算 R₃ 的值。R₂ 在 10kΩ 范围内，因此运算放大器可以轻松驱动反馈网络。

   ${\text{R}}_3\text{=}\left(\frac{{\text{R}}_2{\text{× R}}_1}{\left({\text{增益 × R}}_4\right){\text{– R}}_1{\text{– R}}_2}\right)\text{=} \left(\frac{\text{9kΩ × 100kΩ}}{\left(\text{1000 × 1kΩ}\right)\text{– 100kΩ – 9kΩ}}\right)\text{= 1kΩ}$
3. 计算 C₃（使用反馈电阻的等效电阻 R_eq），以设置 f_p 的位置。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{eq}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_2\times {\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_3}+{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2\right)=\left(\frac{9\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\times 100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{1\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}+100\mathrm{k}\mathrm{\Omega }+9\mathrm{k}\mathrm{\Omega }\right)=\; 1.009M\Omega$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{eq}}\times {\mathrm{C}}_3}=5\mathrm{kHz}$
   ${\mathrm{C}}_3=\mathrm{ }\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{eq}\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}}=\frac{1}{\mathrm{2\pi \; \times \; 1.009M\Omega \; \times \; 5kHz}}=\; 31.55pF\; \approx \; 30pF（标准值）$
4. 计算小信号电路带宽，以确保其满足 5 kHz 要求。确保使用电路的噪声增益 (NG) 或同相增益。
   $\text{NG\hspace{0.17em}= 1 +}\frac{{\text{R}}_{\text{eq}}}{{\text{R}}_{\text{4}}}\text{= 1 + 1009 = 1010}\frac{\text{V}}{\text{V}}$
   $\text{BW =}\frac{\text{GBP}}{\text{NG}}\text{=}\frac{\text{10MHz}}{\text{1010 V/V}}\text{= 9.9kHz}$
   • BW_OPA192 = 10MHz；因此满足此要求。

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

模拟与计算非常接近。

瞬态仿真结果

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. TI 高精度实验室
3. 请参阅 1MHz 单电源光电二极管放大器参考设计。

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器