运放单电源供电.pdf

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1、运算放大器篇-第四章运放单电源供电第四章运放单电源供电经典的运算放大器供电电路一般都采用正负电源对称的双电源供电，而这种架构需要同时提供两个电源。在现在电池供电设备、便携产品越来越流行的今天，对单电源供电运放的需求越来越多，因此，为了使用方便，很多运放放大器都支持单电源供电结构。但很多设计者并不是非常清楚如何正确的使用单电源供电，本章通过仿真，对几种常用单电源供电电路进行分析，介绍运放的单电源供电设计技巧和注意事项。4.1单电源运放从运算放大器结构上讲，运放在工作时无法分清自己是被双电源供电，还是单电源供电。任何运放的两个电源端，只要满足有足够的压差，运放就可以工作。不存在单电源专

2、用运放，或者双电源专用运放。所有的运放放大器都有两个电源引脚，分别标示为+VCC和-VCC(或-VEE)，常见的双电源供电是由一个正电源和一个电压绝对值相等的负电源组成，通常为±15V、±12V或±5V，此时输入和输出都是相对于GND进行计算，图1所示为典型双电源运放供电电路。单电源供电的运算放大器，是由一个正电源和GND组成，当使用单电源供电运放调理双极性信号时，必须为其提供“直流偏置电压”，使得输出电压以一个正确的电平（通常为+VCC/2，或后端ADC满量程输入的1/2）为中心摆动，一方面是使得输入的负电压能够被正确的输出，另一方面可以获得最大的动态范围。4.2单电源运放电路的

3、基本偏置方法单电源供电根据提供偏置不同的方法，可以分成交流耦合和直流耦合两种。交流耦42合方式在信号输入端加入耦合电容，隔离直流信号，仅对交流信号起到放大作用。交流耦合要考虑到信号的频率，这是因为电容C的阻抗为1/jwc，对于高频信号w较大只需要一个较小的C耦合即可达到低串联阻抗。而对于低频信号则需要较大的C，C的容值跟体积是相关的，也就意味着低频时用交流耦合需要很大体积的电容，这在某些应用场合是不合适的。接下来让我们看看如何正确的选择参考电压，使得产生正确的输出。分析参考电压时主要用到叠加原理，将信号和参考看做两个信号源，利用叠加原理将两者经过运放后的结果相加。参考电压的选择主要

4、考虑两个因素：1、使输出信号的Vpp最大，充分利用运放的输出能力。2、根据后级的直流电平要求来设计，确保本级的直流输出能满足后级输入。使Vpp最大时，参考电压的选取跟运放输出范围直接相关，由于运放的输出不都是轨到轨的，所以不能都按输出直流在VCC/2来设定。应该按照输出直流分量在（Voutmax-Voutmin）/2位置来选择参考的电压，这样才能保证输出的Vpp最大。使本级的直流输出能满足后级输入时，从要求的输出直流分量反推出参考电压即可。例如运放作为ADC的输入缓冲时，由于某些型号的ADC对输入的共模电压（直流分量）有要求（例如1.8V或者1.5V），选择参考电压时就要使运放的输

5、出直流分量满足ADC的共模电压。1、直流耦合型（输入信号不带DC分量）我们首先来看一个双电源供电的例子，同过TINA仿真，其输入输出信号如下图所示。图中可以看到当输入信号为正弦波时，经过反相放大，输入输出信号均以系统地0地位作为中心，正负半周进行波动。T1.00InputOutput500.00m0.00Axislabel-500.00m-1.000.005.00m10.00m15.00m20.00m如果此时我们将上图的双电源的负电压直接改成GND，输入相同的信号，我们会看到如下图所示的输入输出波形，可以看到由于只有正电源供电，输出信号的负半周无法被输出，为了解决这个问题，我们可以

6、在输入端加入一定的直流偏置，从而将整个输出电压抬高。43运算放大器篇-第四章运放单电源供电T1.00InputOutput500.00m0.00Axislabel-500.00m-1.000.005.00m10.00m15.00m20.00m通过正确的直流偏置，可以使得单电源供电的放大器输出能够在以VCC/2为中心，得到较好的动态范围。T4.00Output3.002.00Axislabel1.00Input0.00-1.000.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m根据上图和叠加定理，我们得到：因为这里R2=R1，整理得到：为了使输出信号在VCC/2=2

7、.5V上摆动，可以求得VREF=1.25V。输入输出信号波形图如上图右图所示。经过正确偏置的输出信号能以2.5V为中心，从而得到了最大的输出摆幅。2、直流耦合型（输入信号带有DC分量）上面我们介绍了输入信号不带直流分量的单电源供电的应用，下面我们再来看下当输入信号中带有直流分量的情况。如下图所示：T4.00VinVout3.00Axislabel2.001.000.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m44比如用于两级放大，前级输出的VDC=