反相放大电路的工作原理分析
1、工作原理分析
图1.21为运放反相放大电路，运放同相输入端直接接地，输入信号vin通过电阻r1连接到运放反相输入端，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=0v;根据“虚断”工作原理，无电流流入运放反相输入端，所以：
图1.21 反相放大电路
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1.22所示。
图1.22 偏置点仿真分析设置
偏置点仿真分析结果：
通过仿真分析结果可得：反相放大电路电压增益为-2;输入阻抗为1.000e+03，即r1阻值;输出阻抗为3.936e-03;电阻r1和r2对输出电压最敏感，分别为-2%和2%。
2、直流仿真分析：dc sweep
图1.23 直流仿真分析设置
对电路进行直流仿真分析，如图1.23所示，输入电压vin从-10v线性增加至10v，步进1mv。仿真结果如图1.24所示。
图1.24 输出电压vout波形
图1.24为输出电压vout波形：随着输入电压增大输出电压逐渐降低;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1.25 瞬态仿真分析设置
对电路进行瞬态仿真分析设置，如图1.25所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.26所示。
图1.26 输入和输出电压波形
图1.26为瞬态仿真波形，v(in)为输入电压波形，v(vout)为输出电压波形，电路实现-2倍反相放大功能。
4、交流和参数仿真分析：ac sweep、parametric sweep
图1.27 交流仿真分析设置
图1.28 参数仿真分析设置
对电路进行交流仿真分析，如图1.27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，如图1.28所示，参数值分别为：2k、4k和8k。仿真结果如图1.29所示。
图1.29 输出电压频率特性曲线：电阻r2从上到下分别为8k、4k和2k
当电阻r2=2k时增益为-2，带宽约为1.32meghz;当电阻r2=4k时增益为-4，带宽约为0.75meghz;当电阻r2=8k时增益为-8，带宽约为0.4meghz;增益带宽积分别为2.64meghz、3meghz和3.2meghz，误差约为10%，基本符合增益带宽积为恒定值设计规则。
5、直流和蒙特卡洛仿真分析：dc sweep、monte carlo
图1.30 直流仿真分析设置
图1.31 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1.30和图1.31所示。电阻容差为平均分布5%，仿真结果如图1.28所示，最大值约为2.19v，最小值约为1.83v，仿真次数为100。
图1.32 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1.33 最坏情况仿真设置
图1.34 最坏情况输出设置：输出最大值
当r1取95%、r2取105%时输出电压最大，最大值为2.2105v，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1.35 最坏情况输出设置：输出最小值
当r1取105%、r2取95%时输出电压最小，最小值为1.8095v，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1.21 反相放大电路
1、偏置点分析：bias point
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图1.22 偏置点仿真分析设置
偏置点仿真分析结果：
通过仿真分析结果可得：反相放大电路电压增益为-2;输入阻抗为1.000e+03，即r1阻值;输出阻抗为3.936e-03;电阻r1和r2对输出电压最敏感，分别为-2%和2%。
2、直流仿真分析：dc sweep
图1.23 直流仿真分析设置
对电路进行直流仿真分析，如图1.23所示，输入电压vin从-10v线性增加至10v，步进1mv。仿真结果如图1.24所示。
图1.24 输出电压vout波形
图1.24为输出电压vout波形：随着输入电压增大输出电压逐渐降低;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1.25 瞬态仿真分析设置
对电路进行瞬态仿真分析设置，如图1.25所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.26所示。
图1.26 输入和输出电压波形
图1.26为瞬态仿真波形，v(in)为输入电压波形，v(vout)为输出电压波形，电路实现-2倍反相放大功能。
4、交流和参数仿真分析：ac sweep、parametric sweep
图1.27 交流仿真分析设置
图1.28 参数仿真分析设置
对电路进行交流仿真分析，如图1.27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，如图1.28所示，参数值分别为：2k、4k和8k。仿真结果如图1.29所示。
图1.29 输出电压频率特性曲线：电阻r2从上到下分别为8k、4k和2k
当电阻r2=2k时增益为-2，带宽约为1.32meghz;当电阻r2=4k时增益为-4，带宽约为0.75meghz;当电阻r2=8k时增益为-8，带宽约为0.4meghz;增益带宽积分别为2.64meghz、3meghz和3.2meghz，误差约为10%，基本符合增益带宽积为恒定值设计规则。
5、直流和蒙特卡洛仿真分析：dc sweep、monte carlo
图1.30 直流仿真分析设置
图1.31 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1.30和图1.31所示。电阻容差为平均分布5%，仿真结果如图1.28所示，最大值约为2.19v，最小值约为1.83v，仿真次数为100。
图1.32 输出电压蒙特卡洛仿真数据
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图1.33 最坏情况仿真设置
图1.34 最坏情况输出设置：输出最大值
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