借用EasyEDA的仿真功能，帶你了解各種運放電路

硬件工程師基本技能之一，掌握模擬與數字電路原理，而模擬電路的基礎就是運放，可以說(shuō)運放是硬件工程師的基礎的基礎。話(huà)雖說(shuō)它是基礎，但是掌握它并非易事兒。想當初在學(xué)習模擬電路的時(shí)候，來(lái)回就只知道虛短和虛斷，就開(kāi)始各種算題目了，各種多級運放放大，求放大倍數，求積分，求帶寬，求動(dòng)態(tài)響應，求到最后一大串公式，分數是拿到了，但是都不知道這串公式背后表示什么，完全沒(méi)概念，更談不上如何應用了。不過(guò)即使它很難，我們也必須得掌握它。因為它可是電路設計中的九陽(yáng)神功，一旦參透并練成，往后的設計可是信手拈來(lái)，攻無(wú)不克。今天我們就來(lái)談?wù)勅绾螀⑼高\放這本“九陽(yáng)神功 ”。

時(shí)代在變遷，當年我們攻城奪池的時(shí)候，只有小米加步槍——protel99，現在不同了，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(shuō)白了就是盜版，想想要是你辛苦多年開(kāi)發(fā)出來(lái)的成果被別人盜用了，你會(huì )不會(huì )很生氣?不過(guò)要是作為學(xué)生，學(xué)習研究用，那就打打擦邊球吧，以后上班后別忘了讓你的老板買(mǎi)正版)，還有免費的EasyEDA。使用這些工具對不懂的電路進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)直流，交流，動(dòng)態(tài)幾步仿真后，就會(huì )對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的EasyEDA的仿真功能，和大家一起探討一下如何快速學(xué)習并透徹理解各種基本的運放電路。我使用這個(gè)工具還有個(gè)原因就是，它是個(gè)在線(xiàn)工具，咱們在上面建立的工程可以分享出來(lái)，就跟朋友圈一樣，大家可以對設計進(jìn)行評論和提問(wèn)。 三人行必有我師嘛，這有點(diǎn)類(lèi)似報班學(xué)嵌入式，總比自學(xué)效率高，因為有不懂的問(wèn)題，老師就在邊上，隨時(shí)可以提問(wèn)。在這個(gè)信息時(shí)代，學(xué)習效率至關(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(lái)看看最熟悉的面孔，一個(gè)具有直流放大能力的反向運算放大電路，如下：

圖1 最常見(jiàn)的運放電路

看到這兒，有人就會(huì )馬上說(shuō)了，這個(gè)簡(jiǎn)單，口算都知道，這電路放大倍數是2。說(shuō)這話(huà)的多數都是教科書(shū)養出來(lái)的書(shū)呆子。那你是否有想過(guò)反向放大是什么意思，只是因為從-端輸入的?是否有想過(guò)直流放大能力指的是什么?電路對輸入的電壓有無(wú)要求?電路對輸入的頻率有無(wú)要求?R2：R1=2k:1k，能否換成R2：R1=20k：10k?而這一大串問(wèn)題，都是工程應用時(shí)必須得考慮的問(wèn)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(huà)圖，這樣原理圖既可以拿來(lái)畫(huà)PCB也能拿來(lái)仿真，無(wú)需分開(kāi)來(lái)重復畫(huà)圖)，點(diǎn)擊仿真，如下，因為我為了方便對比，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 仿真的內容選擇

仿真結果如下：

圖4 瞬態(tài)仿真結果

從波形來(lái)看，反向的概念就很直觀(guān)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(shuō)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，需要對圖1電路稍作調整，需要將正弦波信號源改為直流電源，調整后如下：

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(shuō)?我想說(shuō)請不要忽略這些細節，運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。注意這些細節，后續會(huì )為你節省不少的樣板費用。后續還會(huì )提到直流放大這個(gè)問(wèn)題。

輸出電壓范圍

依然使用圖1做仿真，不過(guò)這次將正弦波信號源的振幅改為7V，仿真圖像如下：

圖7 輸出失真

與圖4相比會(huì )發(fā)現，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，幅度應該是14V，沒(méi)超過(guò)供電電壓15V，怎么就失真了呢?這個(gè)就是工程應用和考試做題的區別了。仿真使用的UA741它不是一款軌到軌(rail to rail)輸出的運放，也就是說(shuō)它不能在真個(gè)供電范圍內滿(mǎn)幅度輸出。這點(diǎn)可以從規格書(shū)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，因此我們在設計的時(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，正弦波信號源幅度改回2V，不過(guò)這次不做動(dòng)態(tài)響應仿真，做AC特性仿真，如下圖：

圖10 AC特性仿真

仿真結果如下：

圖11 頻率響應

實(shí)際應用中，電路無(wú)法做到無(wú)限帶寬，可看到圖1電路頻率響應與低通濾波器相似，圖11中標注了放大倍數降低3dB時(shí)對應的頻率點(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中的負反饋回路上加入電流表，改成圖12的電路，再在圖12的基礎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電路仿真結果

圖15 圖13電路仿真結果

對比圖14與圖15可發(fā)現，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(méi)變，但是對應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(kāi)始出現不穩定的情況，圖15中電流波形不如圖14中電路波形光滑，也就是說(shuō)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。因此設計的時(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(wú)直流放大能力的反向放大電路，增加超前補償電容C1防止電路發(fā)生振蕩。整個(gè)電路的頻率響應如圖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(lái)電路的帶寬約為50Hz到500Khz，簡(jiǎn)單直觀(guān)。

加法器特性

圖18 加法電路

圖19 加法仿真結果

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)際芯片規格書(shū)描述的特性相差無(wú)幾。

仿真歸仿真，最后還是要落實(shí)到實(shí)際設計中來(lái)。接下來(lái)和大家分享一款混音器的設計，以便后續可以做個(gè)樣板通過(guò)實(shí)際調試來(lái)進(jìn)一步熟悉運放的工作特性。(混音器常用于調音臺中，就是音樂(lè )DJ用的那個(gè)東西，可以調不同輸入通路的效果，好比主麥克風(fēng)放大倍數要大些，而輔麥克風(fēng)則要調小些。)

設計共包含五部分：1、麥克風(fēng)輸入電路，主要使用NJM2761芯片實(shí)現輸入幅度限制，防止有的人靠太近麥克風(fēng)講話(huà)，而導致過(guò)度放大，損壞后級功放。2、電源電路，使用專(zhuān)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出來(lái)正負電壓。3、靜音控制電路，每一路輸入有可以通過(guò)MOS管拉到地，從而實(shí)現靜音功能，使用這種方式實(shí)現靜音控制時(shí)，需要注意MOS管的導通電阻，毫歐級別的導通電阻就可能導致漏音。4、6路輸入進(jìn)行混音，每一路輸入都有衰減器，可以調節混音的效果。5、輸入放大電路，每一路輸入都有預置的放大倍數，麥克風(fēng)放大倍數大些，線(xiàn)性輸入放大倍數小些。并且可實(shí)現輸入隔離，因為運放的輸出電阻約為零，運放的負載變化不會(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

下面對應的是PCB圖和它的效果圖，EasyEDA提供的效果圖長(cháng)得跟剛打樣出來(lái)的PCB板一樣。

圖25 PCB圖

圖26 效果圖

完成設計后，可以直接在PCB廠(chǎng)商打樣。

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