单电源供电集成运算放大器的电路及其应用.doc

1、单电源供电集成运算放大器的电路及其应用文章包括以下四个部分一、单电源运放应用：基础知识二、单电源运放应用：基本电路三、单电源运算放大器电路应用：滤波四、单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计大多数集成运算放大器电略部采用正、负对称的双电源供电，在只有一组电源的情况下，集成运算放大器也能正常工作。图 1 所示为两种采用单电源供电的供电电路。采用单电源对集成这算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高（且通常抬高至电源电压的一半，即 E/2），抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地” 电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即 E/2。图中，集成运算放大器

2、两输入端抬高的电压由 R4、R5 对电源分压后产生，约等于 E+/2；C2 为滤波电容； C1 和 C3 分别为输入、输出隔直电容。为了减小输入失调电流的影响，图 1（a）中 R1 应等于 R2 与 R4 的并联值，图 1（b）中 R1 应等于 R2 与 R3 的并联值。图 1（a）为反相输入方式，电路的交流放大倍数为 R4/R3=100 倍；图 1（b）为同相输入方式，电路的交流放大倍数为 R3/R2=10 倍。单电源运放应用图集(一)：基础知识我 们 经 常 看 到 很 多 非 常 经 典 的 运 算 放 大 器 应 用 图 集 ， 但 是 这 些 应 用 都 建 立 在 双 电 源的 基

3、 础 上 ， 很 多 时 候 ， 电 路 的 设 计 者 必 须 用 单 电 源 供 电 ， 但 是 他 们 不 知 道 该 如 何 将 双 电源 的 电 路 转 换 成 单 电 源 电 路 。 在 设 计 单 电 源 电 路 时 需 要 比 双 电 源 电 路 更 加 小 心 ， 设 计 者 必 须 要 完 全 理 解 这 篇 文 章 中所 述 的 内 容 。 1 1 电 源 供 电 和 单 电 源 供 电 所 有 的 运 算 放 大 器 都 有 两 个 电 源 引 脚 ， 一 般 在 资 料 中 ， 它 们 的 标 识 是 VCC 和VCC ， 但 是 有 些 时 候 它 们 的 标 识

4、是 VCC 和 GND。 这 是 因 为 有 些 数 据 手 册 的 作 者 企 图将 这 种 标 识 的 差 异 作 为 单 电 源 运 放 和 双 电 源 运 放 的 区 别 。 但 是 ， 这 并 不 是 说 他 们 就 一 定 要那 样 使 用 他 们 可 能 可 以 工 作 在 其 他 的 电 压 下 。 在 运 放 不 是 按 默 认 电 压 供 电 的 时 候 ， 需要 参 考 运 放 的 数 据 手 册 ， 特 别 是 绝 对 最 大 供 电 电 压 和 电 压 摆 动 说 明 。 绝 大 多 数 的 模 拟 电 路 设 计 者 都 知 道 怎 么 在 双 电 源 电 压 的

5、条 件 下 使 用 运 算 放 大 器 ， 比 如图 一 左 边 的 那 个 电 路 ， 一 个 双 电 源 是 由 一 个 正 电 源 和 一 个 相 等 电 压 的 负 电 源 组 成 。 一 般 是正 负 15V， 正 负 12V 和 正 负 5V 也 是 经 常 使 用 的 。 输 入 电 压 和 输 出 电 压 都 是 参 考 地 给 出 的 ，还 包 括 正 负 电 压 的 摆 动 幅 度 极 限 Vom 以 及 最 大 输 出 摆 幅 。 单 电 源 供 电 的 电 路 (图 一 中 右 )运 放 的 电 源 脚 连 接 到 正 电 源 和 地 。 正 电 源 引 脚 接 到VC

6、C ， 地 或 者 VCC 引 脚 连 接 到 GND。 将 正 电 压 分 成 一 半 后 的 电 压 作 为 虚 地 接 到 运 放的 输 入 引 脚 上 ， 这 时 运 放 的 输 出 电 压 也 是 该 虚 地 电 压 ， 运 放 的 输 出 电 压 以 虚 地 为 中 心 ， 摆幅 在 Vom 之 内 。 有 一 些 新 的 运 放 有 两 个 不 同 的 最 高 输 出 电 压 和 最 低 输 出 电 压 。 这 种 运 放的 数 据 手 册 中 会 特 别 分 别 指 明 Voh 和 Vol 。 需 要 特 别 注 意 的 是 有 不 少 的 设 计 者 会 很 随 意的 用 虚

7、 地 来 参 考 输 入 电 压 和 输 出 电 压 ， 但 在 大 部 分 应 用 中 ， 输 入 和 输 出 是 参 考 电 源 地 的 ，所 以 设 计 者 必 须 在 输 入 和 输 出 的 地 方 加 入 隔 直 电 容 ， 用 来 隔 离 虚 地 和 地 之 间 的 直 流 电 压 。(参 见 1.3 节 ) 图一通 常 单 电 源 供 电 的 电 压 一 般 是 5V， 这 时 运 放 的 输 出 电 压 摆 幅 会 更 低 。 另 外 现 在 运 放的 供 电 电 压 也 可 以 是 3V 也 或 者 会 更 低 。 出 于 这 个 原 因 在 单 电 源 供 电 的 电 路

8、中 使 用 的 运 放基 本 上 都 是 Rail To Rail 的 运 放 ， 这 样 就 消 除 了 丢 失 的 动 态 范 围 。 需 要 特 别 指 出 的 是输 入 和 输 出 不 一 定 都 能 够 承 受 Rail To Rail 的 电 压 。 虽 然 器 件 被 指 明 是 轨 至 轨(Rail To Rail)的 ， 如 果 运 放 的 输 出 或 者 输 入 不 支 持 轨 至 轨 ， 接 近 输 入 或 者 接 近 输 出 电压 极 限 的 电 压 可 能 会 使 运 放 的 功 能 退 化 ， 所 以 需 要 仔 细 的 参 考 数 据 手 册 是 否 输 入 和

9、输 出 是否 都 是 轨 至 轨 。 这 样 才 能 保 证 系 统 的 功 能 不 会 退 化 ， 这 是 设 计 者 的 义 务 。 1. 2 虚 地 单 电 源 工 作 的 运 放 需 要 外 部 提 供 一 个 虚 地 ， 通 常 情 况 下 ， 这 个 电 压 是 VCC/2， 图 二的 电 路 可 以 用 来 产 生 VCC/2 的 电 压 ， 但 是 他 会 降 低 系 统 的 低 频 特 性 。 图二R1 和 R2 是 等 值 的 ， 通 过 电 源 允 许 的 消 耗 和 允 许 的 噪 声 来 选 择 ， 电 容 C1 是 一 个 低通 滤 波 器 ， 用 来 减 少 从

10、电 源 上 传 来 的 噪 声 。 在 有 些 应 用 中 可 以 忽 略 缓 冲 运 放 。 在 下 文 中 ， 有 一 些 电 路 的 虚 地 必 须 要 由 两 个 电 阻 产 生 ， 但 是 其 实 这 并 不 是 完 美 的 方 法 。在 这 些 例 子 中 ， 电 阻 值 都 大 于 100K， 当 这 种 情 况 发 生 时 ， 电 路 图 中 均 有 注 明 。 1. 3 交 流 耦 合 虚 地 是 大 于 电 源 地 的 直 流 电 平 ， 这 是 一 个 小 的 、 局 部 的 地 电 平 ， 这 样 就 产 生 了 一 个 电势 问 题 ： 输 入 和 输 出 电 压 一

11、 般 都 是 参 考 电 源 地 的 ， 如 果 直 接 将 信 号 源 的 输 出 接 到 运 放 的 输入 端 ， 这 将 会 产 生 不 可 接 受 的 直 流 偏 移 。 如 果 发 生 这 样 的 事 情 ， 运 放 将 不 能 正 确 的 响 应 输入 电 压 ， 因 为 这 将 使 信 号 超 出 运 放 允 许 的 输 入 或 者 输 出 范 围 。 解 决 这 个 问 题 的 方 法 将 信 号 源 和 运 放 之 间 用 交 流 耦 合 。 使 用 这 种 方 法 ， 输 入 和 输 出 器件 就 都 可 以 参 考 系 统 地 ， 并 且 运 放 电 路 可 以 参 考

12、虚 地 。 当 不 止 一 个 运 放 被 使 用 时 ， 如 果 碰到 以 下 条 件 级 间 的 耦 合 电 容 就 不 是 一 定 要 使 用 ：第 一 级 运 放 的 参 考 地 是 虚 地第 二 级 运 放 的 参 考 第 也 是 虚 地这 两 级 运 放 的 每 一 级 都 没 有 增 益 。 任 何 直 流 偏 置 在 任 何 一 级 中 都 将 被 乘 以 增 益 ， 并 且可 能 使 得 电 路 超 出 它 的 正 常 工 作 电 压 范 围 。 如 果 有 任 何 疑 问 ， 装 配 一 台 有 耦 合 电 容 的 原 型 ， 然 后 每 次 取 走 其 中 的 一 个 ，

13、 观 察 电 工作 是 否 正 常 。 除 非 输 入 和 输 出 都 是 参 考 虚 地 的 ， 否 则 这 里 就 必 须 要 有 耦 合 电 容 来 隔 离 信 号源 和 运 放 输 入 以 及 运 放 输 出 和 负 载 。 一 个 好 的 解 决 办 法 是 断 开 输 入 和 输 出 ， 然 后 在 所 有 运放 的 两 个 输 入 脚 和 运 放 的 输 出 脚 上 检 查 直 流 电 压 。 所 有 的 电 压 都 必 须 非 常 接 近 虚 地 的 电 压 ，如 果 不 是 ， 前 级 的 输 出 就 就 必 须 要 用 电 容 做 隔 离 。 (或 者 电 路 有 问 题

14、) 1. 4 组 合 运 放 电 路 在 一 些 应 用 中 ， 组 合 运 放 可 以 用 来 节 省 成 本 和 板 上 的 空 间 ， 但 是 不 可 避 免 的 引 起 相 互之 间 的 耦 合 ， 可 以 影 响 到 滤 波 、 直 流 偏 置 、 噪 声 和 其 他 电 路 特 性 。 设 计 者 通 常 从 独 立 的 功能 原 型 开 始 设 计 ， 比 如 放 大 、 直 流 偏 置 、 滤 波 等 等 。 在 对 每 个 单 元 模 块 进 行 校 验 后 将 他 们联 合 起 来 。 除 非 特 别 说 明 ， 否 则 本 文 中 的 所 有 滤 波 器 单 元 的 增

15、益 都 是 1。 1. 5 选 择 电 阻 和 电 容 的 值 每 一 个 刚 开 始 做 模 拟 设 计 的 人 都 想 知 道 如 何 选 择 元 件 的 参 数 。 电 阻 是 应 该 用 1 欧 的还 是 应 该 用 1 兆 欧 的 ？ 一 般 的 来 说 普 通 的 应 用 中 阻 值 在 K 欧 级 到 100K 欧 级 是 比 较 合 适的 。 高 速 的 应 用 中 阻 值 在 100 欧 级 到 1K 欧 级 ， 但 他 们 会 增 大 电 源 的 消 耗 。 便 携 设 计 中阻 值 在 1 兆 级 到 10 兆 欧 级 ， 但 是 他 们 将 增 大 系 统 的 噪 声

16、。 用 来 选 择 调 整 电 路 参 数 的 电阻 电 容 值 的 基 本 方 程 在 每 张 图 中 都 已 经 给 出 。 如 果 做 滤 波 器 ， 电 阻 的 精 度 要 选 择 1 E 96 系 列 (参 看 附 录 A)。 一 但 电 阻 值 的 数 量 级 确 定 了 ， 选 择 标 准 的 E 12 系 列 电 容 。 用 E 24 系 列 电 容 用 来 做 参 数 的 调 整 ， 但 是 应 该 尽 量 不 用 。 用 来 做 电 路 参 数 调 整 的电 容 不 应 该 用 5 的 ， 应 该 用 1 。 单电源运放应用图集(二)：基本电路2.1 放 大 放 大 电 路

17、 有 两 个 基 本 类 型 ： 同 相 放 大 器 和 反 相 放 大 器 。 他 们 的 交 流 耦 合 版 本 如 图 三 所示 。 对 于 交 流 电 路 ， 反 向 的 意 思 是 相 角 被 移 动 180 度 。 这 种 电 路 采 用 了 耦 合 电 容 Cin 。 Cin 被 用 来 阻 止 电 路 产 生 直 流 放 大 ， 这 样 电 路 就 只 会 对 交 流 产 生 放 大 作 用 。 如 果 在 直 流电 路 中 ， Cin 被 省 略 ， 那 么 就 必 须 对 直 流 放 大 进 行 计 算 。 在 高 频 电 路 中 ， 不 要 违 反 运 放 的 带 宽 限

18、 制 ， 这 是 非 常 重 要 的 。 实 际 应 用 中 ， 一 级 放 大电 路 的 增 益 通 常 是 100 倍 (40dB)， 再 高 的 放 大 倍 数 将 引 起 电 路 的 振 荡 ， 除 非 在 布 板 的 时候 就 非 常 注 意 。 如 果 要 得 到 一 个 放 大 倍 数 比 较 的 大 放 大 器 ， 用 两 个 等 增 益 的 运 放 或 者 多 个等 增 益 运 放 比 用 一 个 运 放 的 效 果 要 好 的 多 。图三2.2 衰 减 传 统 的 用 运 算 放 大 器 组 成 的 反 相 衰 减 器 如 图 四 所 示 。 图四在 电 路 中 R2 要

19、小 于 R1。 这 种 方 法 是 不 被 推 荐 的 ， 因 为 很 多 运 放 是 不 适 宜 工 作 在 放大 倍 数 小 于 1 倍 的 情 况 下 。 正 确 的 方 法 是 用 图 五 的 电 路 。 图五在 表 一 中 的 一 套 规 格 化 的 R3 的 阻 值 可 以 用 作 产 生 不 同 等 级 的 衰 减 。 对 于 表 中 没 有 的阻 值 ， 可 以 用 以 下 的 公 式 计 算 R3 (Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin) 如 果 表 中 有 值 ， 按 以 下 方 法 处 理 ： 为 Rf 和 Rin 在 1K 到 100K 之 间 选 择 一 个 值 ，

20、 该 值 作 为 基 础 值 。将 Rin 除 以 二 得 到 RinA 和 RinB。将 基 础 值 分 别 乘 以 1 或 者 2 就 得 到 了 Rf、 Rin1 和 Rin2， 如 图 五 中 所 示 。在 表 中 给 R3 选 择 一 个 合 适 的 比 例 因 子 ， 然 后 将 他 乘 以 基 础 值 。比 如 ， 如 果 Rf 是 20K， RinA 和 RinB 都 是 10K， 那 么 用 12.1K 的 电 阻 就 可 以 得 到 3dB 的 衰 减 。 表一图 六 中 同 相 的 衰 减 器 可 以 用 作 电 压 衰 减 和 同 相 缓 冲 器 使 用 。 图六2 3

21、 加 法 器 图 七 是 一 个 反 相 加 法 器 ， 他 是 一 个 基 本 的 音 频 混 合 器 。 但 是 该 电 路 的 很 少 用 于 真 正 的音 频 混 合 器 。 因 为 这 会 逼 近 运 放 的 工 作 极 限 ， 实 际 上 我 们 推 荐 用 提 高 电 源 电 压 的 办 法 来 提高 动 态 范 围 。 同 相 加 法 器 是 可 以 实 现 的 ， 但 是 是 不 被 推 荐 的 。 因 为 信 号 源 的 阻 抗 将 会 影 响 电 路 的 增益 。 图七2 4 减 法 器 就 像 加 法 器 一 样 ， 图 八 是 一 个 减 法 器 。 一 个 通 常

22、的 应 用 就 是 用 于 去 除 立 体 声 磁 带 中 的原 唱 而 留 下 伴 音 (在 录 制 时 两 通 道 中 的 原 唱 电 平 是 一 样 的 ， 但 是 伴 音 是 略 有 不 同 的 )。 图八2 5 模 拟 电 感 图 九 的 电 路 是 一 个 对 电 容 进 行 反 向 操 作 的 电 路 ， 它 用 来 模 拟 电 感 。 电 感 会 抵 制 电 流 的变 化 ， 所 以 当 一 个 直 流 电 平 加 到 电 感 上 时 电 流 的 上 升 是 一 个 缓 慢 的 过 程 ， 并 且 电 感 中 电 阻上 的 压 降 就 显 得 尤 为 重 要 。 图九电 感 会

23、 更 加 容 易 的 让 低 频 通 过 它 ， 它 的 特 性 正 好 和 电 容 相 反 ， 一 个 理 想 的 电 感 是 没 有电 阻 的 ， 它 可 以 让 直 流 电 没 有 任 何 限 制 的 通 过 ， 对 频 率 是 无 穷 大 的 信 号 有 无 穷 大 的 阻 抗 。 如 果 直 流 电 压 突 然 通 过 电 阻 R1 加 到 运 放 的 反 相 输 入 端 上 的 时 候 ， 运 放 的 输 出 将 不 会有 任 何 的 变 化 ， 因 为 这 个 电 压 同 过 电 容 C1 也 同 样 加 到 了 正 相 输 出 端 上 ， 运 放 的 输 出 端表 现 出 了

24、很 高 的 阻 抗 ， 就 像 一 个 真 正 的 电 感 一 样 。 随 着 电 容 C1 不 断 的 通 过 电 阻 R2 进 行 充 电 ， R2 上 电 压 不 断 下 降 ， 运 放 通 过 电 阻R1 汲 取 电 流 。 随 着 电 容 不 断 的 充 电 ， 最 后 运 放 的 两 个 输 入 脚 和 输 出 脚 上 的 电 压 最 终 趋 向于 虚 地 (Vcc/2)。 当 电 容 C1 完 全 被 充 满 时 ， 电 阻 R1 限 制 了 流 过 的 电 流 ， 这 就 表 现 出 一 个 串 连 在 电感 中 电 阻 。 这 个 串 连 的 电 阻 就 限 制 了 电 感

25、的 Q 值 。 真 正 电 感 的 直 流 电 阻 一 般 会 比 模 拟 的电 感 小 的 多 。 这 有 一 些 模 拟 电 感 的 限 制 ： 电 感 的 一 段 连 接 在 虚 地 上 ；模 拟 电 感 的 Q 值 无 法 做 的 很 高 ， 取 决 于 串 连 的 电 阻 R1；模 拟 电 感 并 不 像 真 正 的 电 感 一 样 可 以 储 存 能 量 ， 真 正 的 电 感 由 于 磁 场 的 作 用 可 以 引 起 很 高的 反 相 尖 峰 电 压 ， 但 是 模 拟 电 感 的 电 压 受 限 于 运 放 输 出 电 压 的 摆 幅 ， 所 以 响 应 的 脉 冲 受 限于

26、 电 压 的 摆 幅 。 2 6 仪 用 放 大 器 仪 用 放 大 器 用 于 需 要 对 小 电 平 信 号 直 流 信 号 进 行 放 大 的 场 合 ， 他 是 由 减 法 器 拓 扑 而 来的 。 仪 用 放 大 器 利 用 了 同 相 输 入 端 高 阻 抗 的 优 势 。 基 本 的 仪 用 放 大 器 如 图 十 所 示 。 图十这 个 电 路 是 基 本 的 仪 用 放 大 电 路 ， 其 他 的 仪 用 放 大 器 也 如 图 中 所 示 ， 这 里 的 输 入 端 也使 用 了 单 电 源 供 电 。 这 个 电 路 实 际 上 是 一 个 单 电 源 的 应 变 仪 。 这 个 电 路 的 缺 点 是 需 要 完 全相 等 的 电 阻 ， 否 则 这 个 电 路 的 共 模 抑 制 比 将 会 很 低 。 图 十 中 的 电 路 可 以 简 单 的 去 掉 三 个 电 阻 ， 就 像 图 十 一 中 的 电 路 。