单电源运放在电路设计中的应用

单电源运放在电路设计中的应用

前言

经常使用的运算放大器设计许多经典的电路,但这些电路大多建立在双电源运算放大器的基础上,很多时候,电路的设计者必须用单电源运放,在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心,这里对如何将双电源电路转换成单电源电路进行简要介绍。

一、单电源运放

所有的运算放大器都有两个电源引脚,一般在资料中标识是VCC+和VCC-,但是有些时候它们的标识是VCC+和GND,这是有些数据手册将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。这并不是说一定要那样使用,也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时,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。

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,如图1左边的电路,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±15V,±12V和±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。

图1 双电源及单电源运放

单电源供电的电路如图1右边的电路,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连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。有一些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,需要注意的是有不少设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压,在大部分应用中,输入和输出是参考电源地的,所以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。  

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。因此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。需要指出的是输入和输出不一定能够承受Rail-TO-Rail的电压,虽然器件被指明是Rail-TO-Rail的,如果运放的输入或输出不支持Rail-TO-Rail,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,所以要仔细参考数据手册是否输入和输出都是Rail-TO-Rail。

1、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2的电路是可以用来产生VCC/2的电压,但是会降低系统的低频特性。

图2 VCC/2虚地电路

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。

2、交流耦合

虚地是大于电源地的直流电平,这是一个局部的地电平,但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,将会产生不可接受的直流偏移,如果发生这样的情况,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出范围。  

解决这个问题的方法将信号源和运放用交流耦合,使用这种方法,输入和输出器件就可以参考系统地,并且运放电路可以参考虚地。

当不止一个运放被使用时,如果遇到以下条件级间的耦合电容就不一定要使用:

第一级运放的参考地是虚地;

第二级运放的参考地也是虚地;

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。

如果有疑惑,可以搭一个有耦合电容的模拟电路,然后每次取走其中一个耦合电容,观察电路是否正常工作,除非输入和输出都是参考虚地的,否则这里都必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入及运放输出和负载。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,前级的输出必须要用电容隔离。