借用EasyEDA的仿真功能,帶你了解各種運(yùn)放電路
硬件工程師基本技能之一,掌握模擬與數(shù)字電路原理,而模擬電路的基礎(chǔ)就是運(yùn)放,可以說運(yùn)放是硬件工程師的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。話雖說它是基礎(chǔ),但是掌握它并非易事兒。想當(dāng)初在學(xué)習(xí)模擬電路的時(shí)候,來回就只知道虛短和虛斷,就開始各種算題目了,各種多級(jí)運(yùn)放放大,求放大倍數(shù),求積分,求帶寬,求動(dòng)態(tài)響應(yīng),求到最后一大串公式,分?jǐn)?shù)是拿到了,但是都不知道這串公式背后表示什么,完全沒概念,更談不上如何應(yīng)用了。不過即使它很難,我們也必須得掌握它。因?yàn)樗墒请娐吩O(shè)計(jì)中的九陽神功,一旦參透并練成,往后的設(shè)計(jì)可是信手拈來,攻無不克。今天我們就來談?wù)勅绾螀⑼高\(yùn)放這本“九陽神功 ”。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/385539.htm時(shí)代在變遷,當(dāng)年我們攻城奪池的時(shí)候,只有小米加步槍——protel99,現(xiàn)在不同了,不僅有破解的AD9,Multisim,Cadence(我是不太推薦使用破解版本的工具的,說白了就是盜版,想想要是你辛苦多年開發(fā)出來的成果被別人盜用了,你會(huì)不會(huì)很生氣?不過要是作為學(xué)生,學(xué)習(xí)研究用,那就打打擦邊球吧,以后上班后別忘了讓你的老板買正版),還有免費(fèi)的EasyEDA。使用這些工具對(duì)不懂的電路進(jìn)行仿真,經(jīng)過直流,交流,動(dòng)態(tài)幾步仿真后,就會(huì)對(duì)電路就有比較清晰的理解了。而今天我主要就是使用這免費(fèi)的EasyEDA的仿真功能,和大家一起探討一下如何快速學(xué)習(xí)并透徹理解各種基本的運(yùn)放電路。我使用這個(gè)工具還有個(gè)原因就是,它是個(gè)在線工具,咱們?cè)谏厦娼⒌墓こ炭梢苑窒沓鰜恚透笥讶σ粯?,大家可以?duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)論和提問。 三人行必有我?guī)熉?,這有點(diǎn)類似報(bào)班學(xué)嵌入式,總比自學(xué)效率高,因?yàn)橛胁欢膯栴},老師就在邊上,隨時(shí)可以提問。在這個(gè)信息時(shí)代,學(xué)習(xí)效率至關(guān)重要,你學(xué)的比比人慢,那就是落后。
EasyEDA網(wǎng)上有很多教程,也有很多視頻教程,有興趣的同志自行百度,在這兒關(guān)于如何使用工具就不多贅述了。直奔主題,我們先來看看最熟悉的面孔,一個(gè)具有直流放大能力的反向運(yùn)算放大電路,如下:
圖1 最常見的運(yùn)放電路
看到這兒,有人就會(huì)馬上說了,這個(gè)簡(jiǎn)單,口算都知道,這電路放大倍數(shù)是2。說這話的多數(shù)都是教科書養(yǎng)出來的書呆子。那你是否有想過反向放大是什么意思,只是因?yàn)閺?端輸入的?是否有想過直流放大能力指的是什么?電路對(duì)輸入的電壓有無要求?電路對(duì)輸入的頻率有無要求?R2:R1=2k:1k,能否換成R2:R1=20k:10k?而這一大串問題,都是工程應(yīng)用時(shí)必須得考慮的問題。
反向放大
如圖1建立好仿真圖(EasyEDA有個(gè)好處,可以在原理圖中直接使用帶有仿真庫的元器件畫圖,這樣原理圖既可以拿來畫PCB也能拿來仿真,無需分開來重復(fù)畫圖),點(diǎn)擊仿真,如下,因?yàn)槲覟榱朔奖銓?duì)比,在一個(gè)工程里面放置了多張仿真圖,所以使用單文件仿真,而不使用工程仿真。
圖2 仿真操作
先做動(dòng)態(tài)仿真,選擇如下:
圖3 仿真的內(nèi)容選擇
仿真結(jié)果如下:
圖4 瞬態(tài)仿真結(jié)果
從波形來看,反向的概念就很直觀了,輸入V1與輸出V2,相位剛好相差90度,也就是V1逐漸增大的時(shí)候V2逐漸減小(或者說向反方向增大),而V1逐漸減小時(shí)V2逐漸增大。
直流放大
要仿真直流放大是,需要對(duì)圖1電路稍作調(diào)整,需要將正弦波信號(hào)源改為直流電源,調(diào)整后如下:
圖5 直流放大仿真
仿真操作如圖2和圖3,仿真圖像如下:
圖6 直流放大仿真結(jié)果
V1輸入2V,反向放大2倍,輸出V2就是-4V。有人會(huì)想,這么簡(jiǎn)單,還用說?我想說請(qǐng)不要忽略這些細(xì)節(jié),運(yùn)放通常被用在音頻放大上,這時(shí)候我們通常用的是電路的交流放大能力,而且是盡量避免直流放大能力的。如果不知道怎樣會(huì)出現(xiàn)直流放大,那就談不上如何避免了,更談不上如何去掉音頻中的電流聲了。注意這些細(xì)節(jié),后續(xù)會(huì)為你節(jié)省不少的樣板費(fèi)用。后續(xù)還會(huì)提到直流放大這個(gè)問題。
輸出電壓范圍
依然使用圖1做仿真,不過這次將正弦波信號(hào)源的振幅改為7V,仿真圖像如下:
圖7 輸出失真
與圖4相比會(huì)發(fā)現(xiàn),圖其中V2波峰和波谷處的波形被壓平了,也就是失真了。輸入的幅度是7V,放大兩倍后,幅度應(yīng)該是14V,沒超過供電電壓15V,怎么就失真了呢?這個(gè)就是工程應(yīng)用和考試做題的區(qū)別了。仿真使用的UA741它不是一款軌到軌(rail to rail)輸出的運(yùn)放,也就是說它不能在真?zhèn)€供電范圍內(nèi)滿幅度輸出。這點(diǎn)可以從規(guī)格書看到,如下,可看到供電電壓±15V的時(shí)候輸出電壓擺幅大約為26V:
圖8 UA741輸出電壓與供電電壓關(guān)系
而且輸入電壓最大幅度也是有要求的,如下圖,因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候要注意到器件的這些特性,從而留有足夠的裕量才行。
圖9 UA741最大輸入電壓
輸入頻率
依然是使用圖1的仿真圖,正弦波信號(hào)源幅度改回2V,不過這次不做動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真,做AC特性仿真,如下圖:
圖10 AC特性仿真
仿真結(jié)果如下:
圖11 頻率響應(yīng)
實(shí)際應(yīng)用中,電路無法做到無限帶寬,可看到圖1電路頻率響應(yīng)與低通濾波器相似,圖11中標(biāo)注了放大倍數(shù)降低3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn),其實(shí)按照定義這個(gè)就是該電路的帶寬上限。
輸入電阻與反饋電阻
在圖1中的負(fù)反饋回路上加入電流表,改成圖12的電路,再在圖12的基礎(chǔ)上將輸入電阻與反饋電阻都放大10倍,改成圖13的電路。它們的仿真結(jié)果分別如圖14與圖15所示。
圖12不同的輸入電阻與反饋電阻a
圖13不同的輸入電阻與反饋電阻b
圖14 圖12電路仿真結(jié)果
圖15 圖13電路仿真結(jié)果
對(duì)比圖14與圖15可發(fā)現(xiàn),不同的輸入電阻與反饋電阻會(huì)影響反饋回路中的電流,兩個(gè)電路的電壓放大特性沒變,但是對(duì)應(yīng)的功耗就有所不同了。增大輸入電阻與反饋電阻,會(huì)減小輸入電流與反饋電流,從而降低功耗。但是從圖15可看到,反饋電流變得的較小時(shí),電路開始出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,圖15中電流波形不如圖14中電路波形光滑,也就是說使用大阻值的輸入電阻與反饋電阻時(shí),電路更容易受干擾。因此設(shè)計(jì)的時(shí)候要兼顧功耗與抗干擾能力,雙方面考慮。
兩個(gè)常用電路的仿真示例
音頻放大電路帶寬
圖16 常用音頻放大電路
圖17 帶寬
圖16中的電路就是無直流放大能力的反向放大電路,增加超前補(bǔ)償電容C1防止電路發(fā)生振蕩。整個(gè)電路的頻率響應(yīng)如圖17所示,不需要套用公式還算半天,直接在圖中就可以量出來電路的帶寬約為50Hz到500Khz,簡(jiǎn)單直觀。
加法器特性
圖18 加法電路
圖19 加法仿真結(jié)果
如19所示,V3 = -(V2 + V1)
做了這幾個(gè)基本電路的仿真之后,發(fā)現(xiàn)EasyEDA這個(gè)工具的仿真精度還是可以的,特別是哪個(gè)輸出電壓范圍的仿真,軟件自帶仿真庫中的元件的特性與實(shí)際芯片規(guī)格書描述的特性相差無幾。
仿真歸仿真,最后還是要落實(shí)到實(shí)際設(shè)計(jì)中來。接下來和大家分享一款混音器的設(shè)計(jì),以便后續(xù)可以做個(gè)樣板通過實(shí)際調(diào)試來進(jìn)一步熟悉運(yùn)放的工作特性。(混音器常用于調(diào)音臺(tái)中,就是音樂DJ用的那個(gè)東西,可以調(diào)不同輸入通路的效果,好比主麥克風(fēng)放大倍數(shù)要大些,而輔麥克風(fēng)則要調(diào)小些。)
設(shè)計(jì)共包含五部分:1、麥克風(fēng)輸入電路,主要使用NJM2761芯片實(shí)現(xiàn)輸入幅度限制,防止有的人靠太近麥克風(fēng)講話,而導(dǎo)致過度放大,損壞后級(jí)功放。2、電源電路,使用專用電源模塊,從24V單電壓產(chǎn)生±12V雙電壓。通常也有使用變壓器加整流橋的方式轉(zhuǎn)出來正負(fù)電壓。3、靜音控制電路,每一路輸入有可以通過MOS管拉到地,從而實(shí)現(xiàn)靜音功能,使用這種方式實(shí)現(xiàn)靜音控制時(shí),需要注意MOS管的導(dǎo)通電阻,毫歐級(jí)別的導(dǎo)通電阻就可能導(dǎo)致漏音。4、6路輸入進(jìn)行混音,每一路輸入都有衰減器,可以調(diào)節(jié)混音的效果。5、輸入放大電路,每一路輸入都有預(yù)置的放大倍數(shù),麥克風(fēng)放大倍數(shù)大些,線性輸入放大倍數(shù)小些。并且可實(shí)現(xiàn)輸入隔離,因?yàn)檫\(yùn)放的輸出電阻約為零,運(yùn)放的負(fù)載變化不會(huì)影響到輸入端。
圖20 麥克風(fēng)輸入
圖21 電源電路
圖22 靜音控制
圖23 加法電路
圖24 輸入放大
圖片有點(diǎn)模糊,有興趣的同志可以到以下鏈接查看完整工程:
https://EasyEDA.com/yuweijian615/MIXER-a2a62c5345994e74a0266b12ccd3ece1
下面對(duì)應(yīng)的是PCB圖和它的效果圖,EasyEDA提供的效果圖長(zhǎng)得跟剛打樣出來的PCB板一樣。
圖25 PCB圖
圖26 效果圖
完成設(shè)計(jì)后,可以直接在PCB廠商打樣。
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