設計目標

設計說明

此設計使用具有反相正基準的同相放大器將 2V 至 5V 的輸入信號轉換為 0.05V 至 4.95V 的輸出電壓。此電路可用于將具有正斜率和正偏移的傳感器輸出電壓轉換為可用的 ADC 輸入電壓范圍。

設計說明

1. 請使用運算放大器線性輸出運行范圍。通常需要在 A_OL 測試條件下指定該范圍。
2. 查看運算放大器輸入共模電壓范圍。共模電壓因輸入電壓而異。
3. V_ref 必須具有低阻抗。
4. 該電路的輸入阻抗等于 R₃ 與 R₄ 之和。
5. 在反饋環路中選擇使用低阻值電阻器。建議使用阻值小于 100kΩ 的電阻器。使用高阻值電阻可能會減小放大器的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。
6. 電路的截止頻率取決于放大器的增益帶寬積 (GBP)。
7. 如果使用了高阻值電阻器，那么添加一個與 R₁ 并聯的電容器將提高電路的穩定性。

設計步驟

1. 計算可生成最大輸出擺幅的輸入的增益。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}=\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ \frac{4.95\mathrm{V}-0.05\mathrm{V}}{5\mathrm{V}-2\mathrm{V}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ 1.633\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
2. 選取 R₁ 和 R₄ 的值，并將這些值代入上一個方程式。另外兩個電阻器的阻值必須利用方程組來求解。如果有兩個以上的變量未確定，則無法計算出適當的輸出擺幅和失調電壓。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_4=1 \mathrm{k\Omega } \\ 1.633\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_3+1 \mathrm{k\Omega }}\right)\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
3. 用 R₂ 來表示 R₃ 的方式來求解之前的方程式。
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+\left(1 \mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{R}}_2\right)}{1.633\times {\mathrm{R}}_2}-1 \mathrm{k\Omega }$
4. 在放大器的線性輸出范圍內沿傳遞函數選擇任意點，在輸出端設置適當的失調電壓（例如，最小輸入和輸出電壓）。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o\_min}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{i\_min}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_2}\right) \\ 0.05\mathrm{V}=2\mathrm{V}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_3+1 \mathrm{k\Omega }}\right)\left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_2}\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \left(\frac{1 \mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_2}\right) \end{gathered}$$
5. 將第 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. 將第 5 步計算出的 R₂ 值代入方程式，并求解 R₃。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+\left(1 \mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{R}}_2\right)}{1.633\times {\mathrm{R}}_2}-1 \mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_3=\frac{1 \mathrm{M\Omega }+1 \mathrm{k\Omega }\times \left(777\mathrm{\Omega }\right)}{1.633\times \left(777\mathrm{\Omega }\right)}-1 \mathrm{k\Omega }=400.49\mathrm{\Omega }\approx 402\mathrm{\Omega } \end{gathered}$$

設計仿真

直流仿真結果

交流仿真結果

設計參考資料

有關 TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路手冊。

請參閱電路 SPICE 仿真文件 SBOC512。

請觀看有關輸入和輸出限制的 TI 精密實驗室視頻。

設計特色運算放大器

設計備選運算放大器