借用EasyEDA的仿真功能，带你了解各种运放电路

 硬件工程师基本技能之一，掌握模拟与数字电路原理，而模拟电路的基础就是运放，可以说运放是硬件工程师的基础的基础。话虽说它是基础，但是掌握它并非易事儿。想当初在学习模拟电路的时候，来回就只知道虚短和虚断，就开始各种算题目了，各种多级运放放大，求放大倍数，求积分，求带宽，求动态响应，求到最后一大串公式，分数是拿到了，但是都不知道这串公式背后表示什么，完全没概念，更谈不上如何应用了。不过即使它很难，我们也必须得掌握它。因为它可是电路设计中的九阳神功，一旦参透并练成，往后的设计可是信手拈来，攻无不克。今天我们就来谈谈如何参透运放这本“九阳神功 ”。

时代在变迁，当年我们攻城夺池的时候，只有小米加步枪——protel99，现在不同了，不仅有破解的AD9，Multisim，Cadence(我是不太推荐使用破解版本的工具的，说白了就是盗版，想想要是你辛苦多年开发出来的成果被别人盗用了，你会不会很生气?不过要是作为学生，学习研究用，那就打打擦边球吧，以后上班后别忘了让你的老板买正版)，还有免费的EasyEDA。使用这些工具对不懂的电路进行仿真，经过直流，交流，动态几步仿真后，就会对电路就有比较清晰的理解了。而今天我主要就是使用这免费的EasyEDA的仿真功能，和大家一起探讨一下如何快速学习并透彻理解各种基本的运放电路。我使用这个工具还有个原因就是，它是个在线工具，咱们在上面建立的工程可以分享出来，就跟朋友圈一样，大家可以对设计进行评论和提问。 三人行必有我师嘛，这有点类似报班学嵌入式，总比自学效率高，因为有不懂的问题，老师就在边上，随时可以提问。在这个信息时代，学习效率至关重要，你学的比比人慢，那就是落后。

EasyEDA网上有很多教程，也有很多视频教程，有兴趣的同志自行百度，在这儿关于如何使用工具就不多赘述了。直奔主题，我们先来看看最熟悉的面孔，一个具有直流放大能力的反向运算放大电路，如下：

图1 最常见的运放电路

看到这儿，有人就会马上说了，这个简单，口算都知道，这电路放大倍数是2。说这话的多数都是教科书养出来的书呆子。那你是否有想过反向放大是什么意思，只是因为从-端输入的?是否有想过直流放大能力指的是什么?电路对输入的电压有无要求?电路对输入的频率有无要求?R2：R1=2k:1k，能否换成R2：R1=20k：10k?而这一大串问题，都是工程应用时必须得考虑的问题。

反向放大

如图1建立好仿真图(EasyEDA有个好处，可以在原理图中直接使用带有仿真库的元器件画图，这样原理图既可以拿来画PCB也能拿来仿真，无需分开来重复画图)，点击仿真，如下，因为我为了方便对比，在一个工程里面放置了多张仿真图，所以使用单文件仿真，而不使用工程仿真。

图2 仿真操作

先做动态仿真，选择如下：

图3 仿真的内容选择

仿真结果如下：

图4 瞬态仿真结果

从波形来看，反向的概念就很直观了，输入V1与输出V2，相位刚好相差90度，也就是V1逐渐增大的时候V2逐渐减小(或者说向反方向增大)，而V1逐渐减小时V2逐渐增大。

直流放大

要仿真直流放大是，需要对图1电路稍作调整，需要将正弦波信号源改为直流电源，调整后如下：

图5 直流放大仿真

仿真操作如图2和图3，仿真图像如下：

图6 直流放大仿真结果

V1输入2V，反向放大2倍，输出V2就是-4V。有人会想，这么简单，还用说?我想说请不要忽略这些细节，运放通常被用在音频放大上，这时候我们通常用的是电路的交流放大能力，而且是尽量避免直流放大能力的。如果不知道怎样会出现直流放大，那就谈不上如何避免了，更谈不上如何去掉音频中的电流声了。注意这些细节，后续会为你节省不少的样板费用。后续还会提到直流放大这个问题。

输出电压范围

依然使用图1做仿真，不过这次将正弦波信号源的振幅改为7V，仿真图像如下：

图7 输出失真

与图4相比会发现，图其中V2波峰和波谷处的波形被压平了，也就是失真了。输入的幅度是7V，放大两倍后，幅度应该是14V，没超过供电电压15V，怎么就失真了呢?这个就是工程应用和考试做题的区别了。仿真使用的UA741它不是一款轨到轨(rail to rail)输出的运放，也就是说它不能在真个供电范围内满幅度输出。这点可以从规格书看到，如下，可看到供电电压±15V的时候输出电压摆幅大约为26V：

图8 UA741输出电压与供电电压关系

而且输入电压最大幅度也是有要求的，如下图，因此我们在设计的时候要注意到器件的这些特性，从而留有足够的裕量才行。

图9 UA741最大输入电压

输入频率

依然是使用图1的仿真图，正弦波信号源幅度改回2V，不过这次不做动态响应仿真，做AC特性仿真，如下图：

图10 AC特性仿真

仿真结果如下：

图11 频率响应

实际应用中，电路无法做到无限带宽，可看到图1电路频率响应与低通滤波器相似，图11中标注了放大倍数降低3dB时对应的频率点，其实按照定义这个就是该电路的带宽上限。

输入电阻与反馈电阻

在图1中的负反馈回路上加入电流表，改成图12的电路，再在图12的基础上将输入电阻与反馈电阻都放大10倍，改成图13的电路。它们的仿真结果分别如图14与图15所示。

图12不同的输入电阻与反馈电阻a

图13不同的输入电阻与反馈电阻b

图14 图12电路仿真结果

图15 图13电路仿真结果

对比图14与图15可发现，不同的输入电阻与反馈电阻会影响反馈回路中的电流，两个电路的电压放大特性没变，但是对应的功耗就有所不同了。增大输入电阻与反馈电阻，会减小输入电流与反馈电流，从而降低功耗。但是从图15可看到，反馈电流变得的较小时，电路开始出现不稳定的情况，图15中电流波形不如图14中电路波形光滑，也就是说使用大阻值的输入电阻与反馈电阻时，电路更容易受干扰。因此设计的时候要兼顾功耗与抗干扰能力，双方面考虑。

两个常用电路的仿真示例

音频放大电路带宽

图16 常用音频放大电路

图17 带宽

图16中的电路就是无直流放大能力的反向放大电路，增加超前补偿电容C1防止电路发生振荡。整个电路的频率响应如图17所示，不需要套用公式还算半天，直接在图中就可以量出来电路的带宽约为50Hz到500Khz，简单直观。

加法器特性

图18 加法电路

图19 加法仿真结果

如19所示，V3 = -(V2 + V1)

做了这几个基本电路的仿真之后，发现EasyEDA这个工具的仿真精度还是可以的，特别是哪个输出电压范围的仿真，软件自带仿真库中的元件的特性与实际芯片规格书描述的特性相差无几。

仿真归仿真，最后还是要落实到实际设计中来。接下来和大家分享一款混音器的设计，以便后续可以做个样板通过实际调试来进一步熟悉运放的工作特性。(混音器常用于调音台中，就是音乐DJ用的那个东西，可以调不同输入通路的效果，好比主麦克风放大倍数要大些，而辅麦克风则要调小些。)

设计共包含五部分：1、麦克风输入电路，主要使用NJM2761芯片实现输入幅度限制，防止有的人靠太近麦克风讲话，而导致过度放大，损坏后级功放。2、电源电路，使用专用电源模块，从24V单电压产生±12V双电压。通常也有使用变压器加整流桥的方式转出来正负电压。3、静音控制电路，每一路输入有可以通过MOS管拉到地，从而实现静音功能，使用这种方式实现静音控制时，需要注意MOS管的导通电阻，毫欧级别的导通电阻就可能导致漏音。4、6路输入进行混音，每一路输入都有衰减器，可以调节混音的效果。5、输入放大电路，每一路输入都有预置的放大倍数，麦克风放大倍数大些，线性输入放大倍数小些。并且可实现输入隔离，因为运放的输出电阻约为零，运放的负载变化不会影响到输入端。

图20 麦克风输入

图21 电源电路

图22 静音控制

图23 加法电路

图24 输入放大

图片有点模糊，有兴趣的同志可以到以下链接查看完整工程：

https://EasyEDA.com/yuweijian615/MIXER-a2a62c5345994e74a0266b12ccd3ece1

下面对应的是PCB图和它的效果图，EasyEDA提供的效果图长得跟刚打样出来的PCB板一样。

图25 PCB图

图26 效果图

完成设计后，可以直接在PCB厂商打样。

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