单电源运算放大器的原理及如何实现设计？

集成运算放大器的单电源供电电路原理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。

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。

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。

运算放大器的供电存在两种形式，单电源供电以及双电源供电。在运放电源的设计中普遍采用双电源供电的方式，例如仪表运算放大器INA129的供电电压范围根据芯片手册可以得知为±2.25-±18V，同时其可以采取4.5-36V的单电源的供电方案。在真实的设计案例时，往往得到负电源是较为困难的，因此采用单电源供电的方式可以一定程度的减轻设计难度。

电势差：

明确单电源设计的方法，首先需要明确一个物理学概念。电压——即电势差，是一个相对值，基于参考点得到的一个数值，通常我们常常取大地所处的电平作为零电势点。我们观察INA129的单双电源供电范围不难发现，单电源供电的本质就是取值选取双电源供电两个供电引脚间的电势差。换个说法，单电源供电就是在双电源供电的基础上将供电范围抬升了1/2电势差。

虚地：

当我们采用双电源给INA129运算放大器供电的时候，给信号输入端给定一个正弦信号，其输出摆幅围绕在0电势点处，也就是通常所说的“地”附近。从前文我们可知单电源供电就是在双电源供电的基础上，整体抬升了1/2电势差，因此我们可以认为当输入一个正弦信号后，运放的输出信号将在1/2电势差处做正弦摆动。参考“地”电平这一概念，通常可以将这个1/2电势差叫做“虚地”。因此单电源供电的原理就是基于电势差这一物理学概念，在具体的设计中我们只需要将原本的地电平换做“虚地”。

设计方法：

明确了单电源供电的原理，如何真正的将其应用到实际电路中去。通常我们运算放大器的输入信号是基于“地”电平给定的参考，在单电源的设计中我们的输出信号将以“虚地”作为参考电平，因此在信号输入运算放大器之前，需要将信号变换到“虚地”上去。在实际的设计中，针对输入信号的不同，我们将这个信号变换过程分为“直流耦合”及“交流耦合”。

直流耦合：

在直流耦合中，我们知道耦合地可以简单的认为将输入信号做了一个电平抬升，因此在这里我们采取加法器的设计，通过加法器将直流信号抬升至“虚地”电平。

目前在许多手持设备、汽车以及计算机等设备只用单电源供电，但是单电源容易出现不稳定问题，因此需要在电路外围增加辅助器件以提高稳定性。在电路图1中展示了单电源供电运算放大器的偏置方法，用电阻RA与电阻RB构成分压电路，并把正输入端的电压设置为Vs/2。输入信号VIN是通过电容耦合到正输入端。在该电路中有一些严重的局限性。 首先，电路的电源抑制几乎没有，电源电压的任何变化都将直接通过两个分压电阻改变偏置电压Vs/2，但电源抑制的能力是电路非常重要的特性。例如此电路的电源电压1伏的变化，能引起偏置电路电压的输出Vs/2变化0.5伏。该电路的电源抑制仅仅只有6dB，通过选用SGM8541运算放大器可以增强电源抑制能力。

单电源运算放大器，一种高性能的集成电路，它可以处理来自单电源电源的信号，并以单电源电源为电源。

它的出现是为了解决电源电压的限制以及运算放大器的模拟电路设计的困难。

作为一种高性能的集成电路，单电源运算放大器在许多领域都有着广泛的应用，例如自动控制、音频放大、信号处理等。它的主要特点是具有低功耗、高精度、高速度、低噪声等特点，而且非常容易使用。

单电源运算放大器的优点之一是在处理单电源电源信号时不需要使用负电源，这使得其在电路设计和实现方面更加简单，同时也减少了电路的复杂度，提高了电路的可靠性。

单电源运算放大器还具有高输入阻抗、低输入偏置电流、低输入偏置电压以及高共模抑制比等特点，这些特点使其在信号处理方面具有很高的精度和稳定性。同时，它还具有较高的增益带宽积和较低的失调电压等特点，这使得其在高频信号处理方面具有很高的性能。

在实际应用中，单电源运算放大器被广泛应用于许多领域。例如，在音频放大方面，单电源运算放大器可以被用来放大音频信号，从而增强音频输出的音量和质量。在自动控制方面，单电源运算放大器可以被用来处理传感器信号，从而实现对自动控制系统的控制。在信号处理方面，单电源运算放大器可以被用来处理模拟信号和数字信号，从而实现对信号的处理和转换。

总之，单电源运算放大器是一种非常实用的集成电路，它具有很多优点，如低功耗、高精度、高速度、低噪声等特点。它在处理单电源电源信号时不需要使用负电源，这使得其在电路设计和实现方面更加简单，同时也减少了电路的复杂度，提高了电路的可靠性。在实际应用中，单电源运算放大器被广泛应用于许多领域，如自动控制、音频放大、信号处理等。