1.1 同相放大电路

同相放大电路由运算放大器和设置增益的电阻构成，具体如图1.1所示，表1.1为同相放大电路仿真元器件列表，输入信号VIN直接连接到运算放大器同相输入端，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；根据“虚断”工作原理，无电流流入运算放大器反相输入端，所以

整理得

则同相放大电路放大倍数为

1.1.1 同相放大电路偏置点分析

利用偏置点仿真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1.2所示。

偏置点仿真分析结果如下。

（1）小信号特性

电压增益：V（VOUT）/V_VIN=2.000E+00

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

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

（2）V（VOUT）直流灵敏度

通过仿真分析结果可得：同相放大电路电压增益为2；输入阻抗为9.967×1011Ω；输出阻抗为2.631×10-3Ω；电阻R1和R2对输出电压最敏感，相对灵敏度分别为-1%和1%。

1.1.2 同相放大电路直流分析

对电路进行直流仿真分析，具体设置如图1.3所示，输入电压VIN从-10V线性增加至10V，步进为1mV，仿真结果如图1.4所示：当输出电压范围在-13.5V≤VOUT≤13.5V时输出电压与输入电压呈线性关系，超出范围时输出饱和。

1.1.3 同相放大电路瞬态分析

对电路进行瞬态仿真分析，具体设置如图1.5所示，仿真时间2ms、最大步长5μs；瞬态仿真结果如图1.6所示，V（V2）为输入电压波形，V（VOUT）为输出电压波形，电路实现2倍同相放大功能。

1.1.4 同相放大电路交流和参数分析

对电路进行交流仿真分析，具体设置如图1.7所示，频率范围10kHz～3MHz（megHz），每十倍频20点；对电阻R2进行参数仿真设置，如图1.8所示，参数值分别为1kΩ、3kΩ和7kΩ，仿真结果如图1.9所示。

当电阻R2=1kΩ时增益为2，带宽约为2MHz；当电阻R2=3kΩ时增益为4，带宽约为1MHz；当电阻R2=7kΩ时增益为8，带宽约为0.5MHz；增益带宽积同为4MHz。

1.1.5 同相放大电路直流和蒙特卡洛分析

当输入直流电压为1V时对电路进行蒙特卡洛仿真分析，具体设置如图1.10和图1.11所示。电阻容差为平均分布5%。仿真结果如图1.12所示，最大值约为2.09V，最小值约为1.91V，仿真次数为100。

1.1.6 同相放大电路直流和最坏情况分析

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

最坏情况仿真设置和输出电压最大值设置如图1.13和图1.14所示，输出电压最大值仿真结果如下：

当R1取95%、R2取105%时输出电压最大，最大值为2.1052V，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

最坏情况仿真设置如图1.15所示，输出电压最小值仿真结果如下：

当R1取105%、R2取95%时输出电压最小，最小值为1.9047V，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越大，读者可以自行仿真验证。

1.1.7 T形网络同相放大电路

当需要设计闭环增益Av=100且电阻R1=10kΩ的同相放大电路时，电阻R2约为1MΩ。然而该电阻值在实际应用电路中使用时并不常见，电阻值太大时准确度、稳定度、干扰抑制性均大大降低，所以通常采用T形网络提高同相放大电路的放大倍数。

图1.16为T形网络同相放大电路，表1.2为T形网络同相放大电路仿真元器件列表，整理得电路放大倍数：

其中，R1为kΩ级别的电阻，具体大小由输入信号决定，该阻值基本决定运算放大器反馈电流的大小；R2通常为10倍R1阻值，然后再计算R3和R4阻值。为实现电路的稳定性和抗干扰性能，电阻值通常选择100kΩ以内。

图1.16中T形网络同相放大电路的放大倍数为

当输入信号为10mV时对电路进行仿真测试。

1.偏置点分析

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，偏置点仿真设置如图1.17所示。

偏置点仿真分析结果如下。

（1）小信号特性

电压增益：V（VOUT）/V_VIN=1.059E+02；约为106

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

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

（2）直流灵敏度

通过仿真分析结果可得：T形网络同相放大电压增益约为106；输入阻抗为运算放大器正相输入端阻抗；输出阻抗为1.390×10-1Ω；电阻R1和R3对输出电压最敏感，相对灵敏度分别约为1%和-1%；电阻R2和R4灵敏度次之；所以电阻R1和R3的准确度和稳定度对电路输出稳定性影响至关重要。

2.瞬态和参数仿真分析

对电路进行瞬态和参数仿真分析，具体设置如图1.18和图1.19所示，仿真时间为2ms，最大步长为5μs，电阻R1阻值分别为0.5kΩ和1kΩ，对应放大倍数分别为206和106。仿真结果如图1.20所示。

图1.20为瞬态和参数仿真波形，当输入电压V（IN）为10mV正弦波时，输出电压峰值分别为2.06V和1.06V，电路分别实现206倍和106倍同相放大。

正如期望所料，所有电阻值均小于100kΩ，但却实现百倍放大。与通常设计题目一样，以上设计不存在唯一解。但由于电阻值存在容许误差，所以放大器的实际增益值将会在一定范围内波动，读者可以进行蒙特卡洛和最坏情况分析来进行仿真分析和验证。