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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