1.1 同相放大電路

同相放大電路由運算放大器和設置增益的電阻構成，具體如圖1.1所示，表1.1為同相放大電路仿真元器件列表，輸入信號VIN直接連接到運算放大器同相輸入端，電阻R1和R2構成輸出電壓反饋電路。

根據放大器正常工作時的“虛短”工作原理，電路中節點電壓V1=V2；根據“虛斷”工作原理，無電流流入運算放大器反相輸入端，所以

整理得

則同相放大電路放大倍數為

1.1.1 同相放大電路偏置點分析

利用偏置點仿真分析計算小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和每個元器件相對輸出信號的靈敏度，仿真設置如圖1.2所示。

偏置點仿真分析結果如下。

（1）小信號特性

電壓增益：V（VOUT）/V_VIN=2.000E+00

輸入阻抗：INPUT RESISTANCE AT V_VIN=9.967E+11

輸出阻抗：OUTPUT RESISTANCE AT V（VOUT）=2.631E-03

（2）V（VOUT）直流靈敏度

通過仿真分析結果可得：同相放大電路電壓增益為2；輸入阻抗為9.967×1011Ω；輸出阻抗為2.631×10-3Ω；電阻R1和R2對輸出電壓最敏感，相對靈敏度分別為-1%和1%。

1.1.2 同相放大電路直流分析

對電路進行直流仿真分析，具體設置如圖1.3所示，輸入電壓VIN從-10V線性增加至10V，步進為1mV，仿真結果如圖1.4所示：當輸出電壓范圍在-13.5V≤VOUT≤13.5V時輸出電壓與輸入電壓呈線性關系，超出范圍時輸出飽和。

1.1.3 同相放大電路瞬態分析

對電路進行瞬態仿真分析，具體設置如圖1.5所示，仿真時間2ms、最大步長5μs；瞬態仿真結果如圖1.6所示，V（V2）為輸入電壓波形，V（VOUT）為輸出電壓波形，電路實現2倍同相放大功能。

1.1.4 同相放大電路交流和參數分析

對電路進行交流仿真分析，具體設置如圖1.7所示，頻率范圍10kHz～3MHz（megHz），每十倍頻20點；對電阻R2進行參數仿真設置，如圖1.8所示，參數值分別為1kΩ、3kΩ和7kΩ，仿真結果如圖1.9所示。

當電阻R2=1kΩ時增益為2，帶寬約為2MHz；當電阻R2=3kΩ時增益為4，帶寬約為1MHz；當電阻R2=7kΩ時增益為8，帶寬約為0.5MHz；增益帶寬積同為4MHz。

1.1.5 同相放大電路直流和蒙特卡洛分析

當輸入直流電壓為1V時對電路進行蒙特卡洛仿真分析，具體設置如圖1.10和圖1.11所示。電阻容差為平均分布5%。仿真結果如圖1.12所示，最大值約為2.09V，最小值約為1.91V，仿真次數為100。

1.1.6 同相放大電路直流和最壞情況分析

由電路可知，當電阻R1取-5%容差、R2取+5%容差時輸出電壓最大，最大值為

最壞情況仿真設置和輸出電壓最大值設置如圖1.13和圖1.14所示，輸出電壓最大值仿真結果如下：

當R1取95%、R2取105%時輸出電壓最大，最大值為2.1052V，與計算值一致。

由電路可知，當電阻R1取+5%容差、R2取-5%容差時輸出電壓最小，最小值為

最壞情況仿真設置如圖1.15所示，輸出電壓最小值仿真結果如下：

當R1取105%、R2取95%時輸出電壓最小，最小值為1.9047V，與計算值一致。

電阻容差越大，最壞情況下輸出電壓偏離正常值越大，讀者可以自行仿真驗證。

1.1.7 T形網絡同相放大電路

當需要設計閉環增益Av=100且電阻R1=10kΩ的同相放大電路時，電阻R2約為1MΩ。然而該電阻值在實際應用電路中使用時并不常見，電阻值太大時準確度、穩定度、干擾抑制性均大大降低，所以通常采用T形網絡提高同相放大電路的放大倍數。

圖1.16為T形網絡同相放大電路，表1.2為T形網絡同相放大電路仿真元器件列表，整理得電路放大倍數：

其中，R1為kΩ級別的電阻，具體大小由輸入信號決定，該阻值基本決定運算放大器反饋電流的大小；R2通常為10倍R1阻值，然后再計算R3和R4阻值。為實現電路的穩定性和抗干擾性能，電阻值通常選擇100kΩ以內。

圖1.16中T形網絡同相放大電路的放大倍數為

當輸入信號為10mV時對電路進行仿真測試。

1.偏置點分析

利用偏置點分析計算小信號電壓增益、輸入阻抗、輸出阻抗和每個元器件相對輸出信號的靈敏度，偏置點仿真設置如圖1.17所示。

偏置點仿真分析結果如下。

（1）小信號特性

電壓增益：V（VOUT）/V_VIN=1.059E+02；約為106

輸入阻抗：INPUT RESISTANCE AT V_VIN=9.963E+11

輸出阻抗：OUTPUT RESISTANCE AT V（VOUT）=1.390E-01

（2）直流靈敏度

通過仿真分析結果可得：T形網絡同相放大電壓增益約為106；輸入阻抗為運算放大器正相輸入端阻抗；輸出阻抗為1.390×10-1Ω；電阻R1和R3對輸出電壓最敏感，相對靈敏度分別約為1%和-1%；電阻R2和R4靈敏度次之；所以電阻R1和R3的準確度和穩定度對電路輸出穩定性影響至關重要。

2.瞬態和參數仿真分析

對電路進行瞬態和參數仿真分析，具體設置如圖1.18和圖1.19所示，仿真時間為2ms，最大步長為5μs，電阻R1阻值分別為0.5kΩ和1kΩ，對應放大倍數分別為206和106。仿真結果如圖1.20所示。

圖1.20為瞬態和參數仿真波形，當輸入電壓V（IN）為10mV正弦波時，輸出電壓峰值分別為2.06V和1.06V，電路分別實現206倍和106倍同相放大。

正如期望所料，所有電阻值均小于100kΩ，但卻實現百倍放大。與通常設計題目一樣，以上設計不存在唯一解。但由于電阻值存在容許誤差，所以放大器的實際增益值將會在一定范圍內波動，讀者可以進行蒙特卡洛和最壞情況分析來進行仿真分析和驗證。