运放单电源供电

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1、运算放大器篇-第四章 运放单电源供电 42 第第四四章章 运放单电源供电运放单电源供电 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 单电源单电源运运放放 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

2、满足有足够的压差，运放就可以工作。不存在单电源专用 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

3、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 单电源运放电路的基本偏置方法单电源运放电路的基本偏置方法 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 43 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

4、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

5、 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、直流耦合型（输入信号不带 DC 分量）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。 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

6、源供电，输出信号的负 半周无法被输出，为了解决这个问题，我们可以在输入端加入一定的直流偏置，从 而将整个输出电压抬高。 T 0.005.00m10.00m15.00m20.00m Axis label -1.00 -500.00m 0.00 500.00m 1.00 Output Input 运算放大器篇-第四章 运放单电源供电 44 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。 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 = 2.5V 上摆动，可以求得 VREF=1.25V。输入输出

7、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、直流耦合型（输入信号带有 DC 分量）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： T 0.005.00m10.00m15.00m20.00m Axis label -1.00 -500.00m 0.00 500.00m 1.00 OutputInput T 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label -1.00 0.00 1.00 2.0

8、0 3.00 4.00 Output Input T VinVout 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label 1.00 2.00 3.00 4.00 VoutVin 45 比如用于两级放大，前级输出的 VDC=VCC/2=2.5V，根据上面公式计算，只需把第二级的 VREF设为 VCC/2=2.5V 即可使 Vout 的直流在 2.5V。可以看到仿真图中第二级输出的直流分量 保持在 2.5V。 如果第二级不用参考进行直流偏置的话，由于第二级是反向放大器，来自第一级的 DC 信号将反向为负电压，但是运放是单电源供电没有负压，所以运放就会偏到 G

9、ND 电位。读 者可以用 TINA-TI仿真一下。 3、交流耦合型、交流耦合型 从上面的分析我们看到，有几种情况会使得直流耦合型的偏置设定变得复杂，一种是放 大倍数较大或呈小数时，VREF难以取整；另一种是当输入信号本身不是以 GND 为中心，而 也带有直流偏置的时候，计算也会变得复杂。此时，如果我们对信号的直流信息不感兴趣， 我们可以采用交流耦合的方式，更为简单的让输出在准确的 VCC/2上摆动。 交流耦合方式通过在信号输入端加入耦合电容，形成一个高通滤波器，隔离直流信号， 仅对交流信号起到放大作用。以下图为例，C1 为耦合电容，其阻抗对直流信号来说无穷大。 下图显示了该电路的频响特性，可以

10、看到当输入信号频率超过 100Hz后，C1可以视为完全短 路，此时交流信号的增益为 G = -1 （0db） 为了让放大器的输出以 VCC/2为中心，我们考察反相端的 Vref 对输出的贡献。 （ ） 其中 Z1 为 C1 和 R1 串联后的阻抗，因为 C1 对直流电平有无穷大的阻抗，所以 Z1 也趋 T VF1 VF2 0.00500.00u1.00m1.50m2.00m Axis label 1.50 2.50 3.50 VF2 VF1 T Frequency (Hz) 100m1101001k10k100k1M10M100M Gain (dB) -28.09 -14.04 0.00 运算

11、放大器篇-第四章 运放单电源供电 46 于无穷大，VDC直流无法通过 C1，上式可以简化为： 取 Vref = 2.5V，得到如下图的输入输出结果： 采用交流耦合时，无论 Vin 中是否带有直流分量 VDC, 交流耦合放大器会阻止 VDC，而只 放大交流信号，如下式所示： 比如我们在 TINA仿真中设定 Vin = 0.5V + VAC，可以得到如下的输入输出结果： 可以看到虽然 VF1 信号（input）的直流分量增加，由于 C1 的 AC 耦合，不影响输出的 直流。 4.3 其他一些基本的单电源供电电路其他一些基本的单电源供电电路 我们以 OPA227 为例，来介绍其他一些常见的单电源供电

12、的基本电路。OPA227 是一款 高精度、低噪声的运算放大器，其失调电压低至 5 V,输入电压噪声小于 90nVp-p,供电电压范 围也非常宽： 2.5V 至 18V。此外，在设计单电源供电的电路中一定要考虑到其轨到轨特性 的影响，尽量保证输出电压动态范围能够达到最大。 (1) 同相放大器，直流耦合 如下图所示电路，电源供电电压为 10V，同相输入端输入信号为1V，参考电压 Vref=Vs+/2,根据叠加定理： Vout = Vin + Vref。通过加入直流偏置，使得输出电压在以+5V T 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label -1.00

13、 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 Output Input T VF1 Vout 0.005.00m10.00m15.00m20.00m Axis label -499.95m 293.80m 1.09 1.88 2.68 3.47 VF1 Vout 47 为中心处，能达到最大的动态范围。 但是上图电路的使用过程中需要考虑到 OPA227 的轨到轨特性，OPA227 不具有输入和 输出的轨到轨特性。如果我们将上图中的 Vs 换成+5V，Vref 仍然为 Vs/2, 按照理论分析，输 出 Vout = (1V) + 2.5V，但是我们仿真的实际结果却会出现信号的失真，如下图所示

14、。由于 OPA227 不具有轨到轨输出特性，根据数据手册可知，OPA227 输出电压范围(V+)-2 至(V-)+2 之间，对于下图的电路，其输出电压范围为 2V-3V，而理论的 Vout 范围为 1.5V-3.5V，超出 了电压输出范围，从而造成了输出的失真。 刚才考虑到的是轨到轨输出特性，下面我们再将上图的电路图进行修改，参考电压为 1.25V，反相输入信号为400mv 的正弦信号，得到下图所示的电路图，按照理论计算，Vout = 2*Vref Vin = 2.5V （0.5V） ，在其输出电压范围 2V-3V范围内，但是经过仿真我们看到 图 4.10 输出一个直流电平。OPA227 也不

15、具备轨到轨输入特性，查阅 OPA227 的数据手册， 其输入电压范围： （V- + 2）至（V+ - 2） ，这就要求同相和方向端的输入电压也在 2V-3V 范围 内，我们在反相端提供的400mV 的电压不能满足这一要求，从而导致了放大器设计的失败。 T 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Output Input T 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 Output Input T 0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00m Axis label -1.00 -500.00m 0.00 500.00m 1.00 Output Input 运算放大器篇-第四章 运放单电源供电 48 下面我们将上图的放大器两个输入端电压稍微改变一下，得到如下图所示的另外一种同 相放大器。根据叠加定理： Vout = 2*(Vin + Vref) Vref = 2*Vin + Vref 通过在同相和反相端都加入直流偏置，输出信号获得一个 Vs+/2 的直流偏置，从而达到 保证输出的最佳动态范围。 (2) 同