同相放大电路的工作原理分析
1、工作原理分析
图1.1为基本同相放大电路，输入信号vin直接连接到运算放大器同相输入端，电阻r1和r2构成输出电压反馈电路。
根据放大器正常工作时的“虚短”工作原理，电路中节点电压v1=v2;根据“虚断”工作原理，无电流流入运算放大器反相输入端，所以：
图1.1同相放大电路
1、偏置点分析：bias point
利用偏置点分析计算小信号电压增益、输入阻抗、输出阻抗和每个元器件相对输出信号的灵敏度，仿真设置如图1.2所示。
图1.2 偏置点仿真分析设置
偏置点仿真分析结果：
小信号特性：
通过仿真分析结果可得：同相放大电路电压增益为2;输入阻抗为9.967e+11;输出阻抗为2.631e-03;电阻r1和r2对输出电压最敏感，分别为-1%和1%。
2、直流仿真分析：dc sweep
图1.3 直流仿真分析设置
对电路进行直流仿真分析，具体设置如图1.3所示，输入电压vin从-10v线性增加至10v，步进为1mv，仿真结果如图1.4所示。
图1.4 输出电压vout波形
图1.4为vout输出电压波形，当输出电压范围在-13.5vout13.5时输出电压与输入电压成线性关系，超出范围时输出饱和。
3、瞬态仿真分析：time domain
图1.5 瞬态仿真分析设置
对电路进行瞬态仿真分析，如图1.5所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.6所示。
图1.6 输入和输出电压波形
图1.6为瞬态仿真波形，v(v2)为输入电压波形，v(vout)为输出电压波形，电路实现2倍同相放大功能。
4、交流和参数仿真分析：ac sweep、parametric sweep
图1.7 交流仿真分析设置
图1.8 参数仿真分析设置
对电路进行交流仿真分析设置，如图1.7所示，频率范围10khz—3meghz，每十倍频20点;对电阻r2进行参数仿真分析设置，如图1.8所示，参数值分别为1k、3k和7k;仿真结果如图1.9所示。
图1.9 输出电压频率特性曲线：电阻r2从上到下分别为7k、3k和1k
当电阻r2=1k时增益为2，带宽约为2meghz;当电阻r2=3k时增益为4，带宽约为1meghz;当电阻r2=7k时增益为8，带宽约为0.5meghz;增益带宽积同为4meghz。
5、直流和蒙特卡洛仿真分析：dc sweep、monte carlo
图1.10 直流仿真分析设置
图1.11 蒙特卡洛仿真分析设置
当输入直流电压为1v时对电路进行蒙特卡洛仿真分析，仿真设置如图1.10和图1.11所示。电阻容差为平均分布5%。仿真结果如图1.12所示：最大值约为2.09v，最小值约为1.91v，仿真次数为100。
图1.12 输出电压蒙特卡洛仿真数据
6、直流和最坏情况仿真分析：dc sweep、worst case
由电路可知，当电阻r1取-5%容差、r2取+5%容差时输出电压最大，最大值为：
图1.13 最坏情况仿真设置
图1.14 最坏情况输出设置：输出电压最大值
直流和最坏情况仿真设置如图1.13和图1.14所示，输出电压最大值仿真结果如下：
当r1取95%、r2取105%时输出电压最大，最大值为2.1052 v，与计算值一致。
由电路可知，当电阻r1取+5%容差、r2取-5%容差时输出电压最小，最小值为：
图1.15 最坏情况输出设置：输出电压最小值
最坏情况仿真设置如图1.15所示，输出电压最小值仿真结果如下：
当r1取105%、r2取95%时输出电压最小，最小值为1.9047 v，与计算值一致。
电阻容差越大，最坏情况下输出电压偏离正常值最大，读者可以自行仿真验证。
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图1.2 偏置点仿真分析设置
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图1.4 输出电压vout波形
图1.4为vout输出电压波形，当输出电压范围在-13.5vout13.5时输出电压与输入电压成线性关系，超出范围时输出饱和。
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图1.5 瞬态仿真分析设置
对电路进行瞬态仿真分析，如图1.5所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.6所示。
图1.6 输入和输出电压波形
图1.6为瞬态仿真波形，v(v2)为输入电压波形，v(vout)为输出电压波形，电路实现2倍同相放大功能。
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图1.9 输出电压频率特性曲线：电阻r2从上到下分别为7k、3k和1k
当电阻r2=1k时增益为2，带宽约为2meghz;当电阻r2=3k时增益为4，带宽约为1meghz;当电阻r2=7k时增益为8，带宽约为0.5meghz;增益带宽积同为4meghz。
5、直流和蒙特卡洛仿真分析：dc sweep、monte carlo
图1.10 直流仿真分析设置
图1.11 蒙特卡洛仿真分析设置
当输入直流电压为1v时对电路进行蒙特卡洛仿真分析，仿真设置如图1.10和图1.11所示。电阻容差为平均分布5%。仿真结果如图1.12所示：最大值约为2.09v，最小值约为1.91v，仿真次数为100。
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