求和放大电路的工作原理分析

1、工作原理分析

图1.41为求和放大器电路，表1.5为求和放大电路仿真元器件列表。输入信号VI1和VI2为求和信号，分别通过电阻R1和R2连接到运放反相输入端，通过反馈电阻RF构成输出电压反馈电路。

利用叠加原理和“虚短”、“虚断”分析图1.41所示运算放大电路。首先应用叠加原理求得每个输入单独作用时的输出电压，然后将每个输出电压进行数学求和得到总输出电压。求得输出电压为：

上式表明输出电压为各输入电压乘以放大倍数然后再相加，并且输出电压与输入电压反相。

图1.41求和放大电路

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1.42所示。

图1.42 VI1和VI2偏置点仿真分析设置

通过仿真分析结果可得：输入信号VI1的电压增益为-1，输入阻抗为2k；输入信号VI2的电压增益为-2，输入阻抗为1k；电阻RF对输出电压最敏感，其次为R2和R1，分别为3%、-2%和-1%。

2、瞬态仿真分析：Time Domain

图1.43 瞬态仿真分析设置

对电路进行瞬态仿真分析，如图1.43所示，仿真时间2ms、最大步长5us，仿真结果如图1.44所示。

图1.44 输入和输出电压波形

图1.44为瞬态仿真波形，V(IN1)和V(IN2)为输入电压波形，-V(VOUT)为输出电压反相波形。因为：

所以输出电压为输入信号VI1与2倍VI2之和的相反数。当峰值VI1=2、VI1=1时输出电压峰值为4V，计算与仿真一致。

3、交流和参数仿真分析：AC Sweep、Parametric Sweep

图1.45 交流仿真分析设置

图1.46 参数仿真分析设置

对电路进行交流仿真分析，如图1.45所示，频率范围10kHz—3megHz，每十倍频20点；对电阻RF进行参数仿真分析，如图1.46所示，参数值分别为2k和4k；仿真结果如图1.47所示。

图1.47 输出电压频率特性曲线：电阻RF从上到下分别为4k和2k

当电阻RF=4k时输出电压：

当电阻RF=2k时输出电压：

计算值与图1.47中仿真结果一致。

4、直流和蒙特卡洛仿真分析：DC Sweep、Monte Carlo

图1.48 直流仿真分析设置

图1.49 蒙特卡洛仿真分析设置

当输入直流电压均为1V时对电路进行蒙特卡洛仿真分析，仿真设置如图1.48和图1.49所示。电阻容差为平均分布5%，仿真结果如图1.50所示，最大值约为3.247V，最小值约为2.815V，仿真次数为100。

图1.50 输出电压蒙特卡洛仿真数据

5、直流和最坏情况仿真分析：DC Sweep、Worst case

对图1.41中电路，当电阻R1和R2取-5%容差、RF取+5%容差时输出电压最大，最大值为：

图1.51 最坏情况仿真设置

图1.52 最坏情况输出设置：输出最大值

直流和最坏情况仿真设置如图1.51和图1.52所示，输出电压最大值仿真结果如下：

当R1和R2取95%、RF取105%时输出电压最大，最大值约为3.316V，与计算值一致。

对于图1.41中电路，当电阻R1和R2取+5%容差、RF取-5%容差时输出电压最小，最小值为：

图1.53 最坏情况输出设置：输出最小值

当R1和R2取105%、RF取95%时输出电压最小，最小值约为2.714V，与计算值基本一致。

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。

2、附录——关键仿真器件模型