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。

附录——关键仿真器件模型