設計單電源電路時需要比雙電源電路更加小心

　　介紹

　　我們經(jīng)?？吹胶芏喾浅＝?jīng)典的運算放大器應用圖集，但是他們都建立在雙電源的基礎上，很多時候，電路的設計者必須用單電源供電，但是他們不知道該如何將雙電源的電路轉(zhuǎn)換成單電源電路。

　　在設計單電源電路時需要比雙電源電路更加小心，設計者必須要完全理解這篇文章中所述的內(nèi)容。

　　1.1電源供電和單電源供電

　　所有的運算放大器都有兩個電源引腳，一般在資料中，它們的標識是VCC+和VCC-，但是有些時候它們的標識是VCC+和GND。這是因為有些數(shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標識的差異作為單電源運放和雙電源運放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用――他們可能可以工作在其他的電壓下。在運放不是按默認電壓供電的時候，需要參考運放的數(shù)據(jù)手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動說明。絕大多數(shù)的模擬電路設計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器，比如圖一左邊的那個電路，一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負15V，正負12V和正負5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負電壓的擺動幅度極限Vo m以及最大輸出擺幅。單電源供電的電路(圖一中右)運放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC+，地或者VCC-引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運放的輸入引腳上，這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓，運放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vo m之內(nèi)。有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數(shù)據(jù)手冊中會特別分別指明Vo h和Vo l。需要特別注意的是有不少的設計者會很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設計者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。(參見1.3節(jié))

　　圖一

　　通常單電源供電的電壓一般是5V，這時運放的輸出電壓擺幅會更低。另外現(xiàn)在運放的供電電壓也可以是3V也或者會更低。出于這個原因在單電源供電的電路中使用的運放基本上都是Rail-To-Rail的運放，這樣就消除了丟失的動態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受Rail-To-Rail的電壓。雖然器件被指明是Rail-To-Rail的，如果運放的輸出或者輸入不支持Rail-To-Rail，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會使運放的功能退化，所以需要仔細的參考數(shù)據(jù)手冊是否輸入和輸出是否都是Rail-To-Rail。這樣才能保證系統(tǒng)的功能不會退化，這是設計者的義務。

　　1. 2虛地

　　單電源工作的運放需要外部提供一個虛地，通常情況下，這個電壓是VCC/2，圖二的電路可以用來產(chǎn)生VCC/2的電壓，但是他會降低系統(tǒng)的低頻特性。

　　圖二

　　R1和R2是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容C1是一個低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應用中可以忽略緩沖運放。在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個電阻產(chǎn)生，但是其實這并不是完美的方法。在這些例子中，電阻值都大于100K，當這種情況發(fā)生時，電路圖中均有注明。

　　1. 3交流耦合

　　虛地是大于電源地的直流電平，這是一個小的、局部的地電平，這樣就產(chǎn)生了一個電勢問題：輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的，如果直接將信號源的輸出接到運放的輸入端，這將會產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運放將不能正確的響應輸入電壓，因為這將使信號超出運放允許的輸入或者輸出范圍。解決這個問題的方法將信號源和運放之間用交流耦合。使用這種方法，輸入和輸出器件就都可以參考系統(tǒng)地，并且運放電路可以參考虛地。當不止一個運放被使用時，如果碰到以下條件級間的耦合電容就不是一定要使用：

　　第一級運放的參考地是虛地

　　第二級運放的參考地也是虛地

　　這兩級運放的每一級都沒有增益。任何直流偏置在任何一級中都將被乘以增益，并且可能使得電路超出它的正常工作電壓范圍。

　　如果有任何疑問，裝配一臺有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個，觀察電工作是否正常。除非輸入和輸出都是參考虛地的，否則這里就必須要有耦合電容來隔離信號源和運放輸入以及運放輸出和負載。一個好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運放的兩個輸入腳和運放的輸出腳上檢查直流電壓。所有的電壓都必須非常接近虛地的電壓，如果不是，前級的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問題)

　　1. 4組合運放電路

　　在一些應用中，組合運放可以用來節(jié)省成本和板上的空間，但是不可避免的引起相互之間的耦合，可以影響到濾波、直流偏置、噪聲和其他電路特性。設計者通常從獨立的功能原型開始設計，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對每個單元模塊進行校驗后將他們聯(lián)合起來。除非特別說明，否則本文中的所有濾波器單元的增益都是1。

　　1. 5選擇電阻和電容的值

　　每一個剛開始做模擬設計的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應該用1歐的還是應該用1兆歐的?一般的來說普通的應用中阻值在K歐級到100K歐級是比較合適的。高速的應用中阻值在100歐級到1K歐級，但他們會增大電源的消耗。便攜設計中阻值在1兆級到10兆歐級，但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來選擇調(diào)整電路參數(shù)的電阻電容值的基本方程在每張圖中都已經(jīng)給出。如果做濾波器，電阻的精度要選擇1%E-96系列(參看附錄A)。一但電阻值的數(shù)量級確定了，選擇標準的E-12系列電容。

　　用E-24系列電容用來做參數(shù)的調(diào)整，但是應該盡量不用。用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應該用5%的，應該用1%。

　　基本電路

　　2.1放大

　　放大電路有兩個基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。對于交流電路，反向的意思是相角被移動180度。這種電路采用了耦合電容――Cin。Cin被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大，這樣電路就只會對交流產(chǎn)生放大作用。如果在直流電路中，Cin被省略，那么就必須對直流放大進行計算。在高頻電路中，不要違反運放的帶寬限制，這是非常重要的。實際應用中，一級放大電路的增益通常是100倍(40dB)，再高的放大倍數(shù)將引起電路的振蕩，除非在布板的時候就非常注意。如果要得到一個放大倍數(shù)比較的大放大器，用兩個等增益的運放或者多個等增益運放比用一個運放的效果要好的多。

　　圖三

　　2.2衰減

　　傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖4所示

　　圖四