单电源运算放大器电路应用图集.pdfVIP

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VCC ＋，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，观察电工作是否 正常。除非输入和输出都是参考