精讲运放的轨到轨与偏置电压设计---MCP6002

我们很多模拟电路工程师，特别是新手对于运放轨对轨和偏置电路设计理解的不够透彻，今天我们来详细的介绍一下相关设计，以MCP6002为例。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 　　运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(Rail-to-Rail)输入运算放大器。

什么是轨到轨?中文直译：轨到轨;中文意译：满摆幅(可以为输出，也可以为输入)很多运放的输入不允许达到电源或地，输出达不到电源或地。如果是rail to rail输入输出，就可以。(当然也不可能完全达到，有一点略微的差别)这个功能可以避免由于输入电压过大引起的信号翻转失真。

信号处理部分

我们要做的电路是三个运放构成，一个MCP6002里边有两个运放，所以我们使用两个MCP6002。

这种三运放构成的仪表放大器，可以用在很多产品上，使用最多的，是对传感器小信号的放大。这是一种典型的电路形式。U3.1和U3.2是电压跟随器，U4.1是差分放大电路，实际上也是个减法器电路。电路的放大倍数=R6/R5=100倍。再次强调，数电中1就是1，0就是0，学模电，不能想数电那样看了就能理解。一定要多用电路，用的多了，就会理解越来越深刻。所以，现在不理解，也完全没有关系，很多人还会好奇跟随器前面的电阻R1和D3。D3的作用是当输入电压高于VDD的时候保护运放的输入级。在MCP6002内部，还有一个二极管，是保护输入电压低于VSS的时候保护输入级。R1的作用有两个，一个是限制输入到输入级的电流，另外一个是在输入电压大于VDD的时候，限制输入到D3上的电流。(R2、D4的原理和R1、D3一样。)你可能注意到了R4下边的REF这个网络标号，因为我们使用MCP6002的单电源供电方式，所以需要在R4的下边接1/2的VDD，以便获得全部的信号。如果MCP6002的供电方式是双电源供电，那么REF这个地方是接GND的。

并非是单电源供电运放必须加VCC/2直流偏置，要看处理的是什么信号!

比如处理参考点是零的交流信号，如果不加直流偏置抬升参考点，那负压部分就会被运放内部输入级卡掉，所以加偏置仅仅是为了保证给到运放的信号在其能接收的输入电压范围内，如果交流信号本身就是在0V以上的信号(包括直流信号)，采用同相输入放大下就没必要在给vcc/2的直流偏置电压了包括直流信号。

在REF脚上加Vcc/2电压应该是和你的应用有关，比方你后端的ADC输入范围有关。加Vcc/2,相当于把输出加了偏置，可以保证输出以Vcc/2为中心，上下摆动到0和Vcc，这样可以最大程度的使用ADC的全范围输入。

运放的供电方式有两种：一种是单电源供电，例如5V和GND;另外一种是双电源供电，例如±5V。

我们使用下面的电路给REF提供2.5V的电压。

电压跟随器

这是一种非常常见的给单电源运放提供1/2VDD电压的一种方法，大家首先要熟记，然后听我给你们解释。

如果我不用这个跟随器，而是直接用两个10K电阻分压连接到REF那个地方，那实际上，REF处的电压肯定不是2.5V，因为它将会与R3、R4一起参与组成串并联的电阻网络一起分压输入电压，REF将会是一个随着输入电压变化的电压。 用专业一点的话来说，就是R8、R9分压后得到的2.5V电压输出阻抗太大。

所以，我们接一个电压跟随器，运放的输出阻抗很小，几乎为零点几欧姆。到时候，REF的电压将不会受到输入电压的影响，很好的保持2.5V不变。

你也可以用一个电压基准芯片，比如REF3125。但是这样会增加成本，而且多一个元器件，多占用一点PCB面积，我们本来很小的电路板，还是少放点东西比较好。因为我们刚才在信号处理电路中使用的U4实际上只使用了一个运放，还剩下一个运放，所以正好拿它来做REF的电压提供，两全其美。

不知道，这样讲清楚不清楚。还有，对学电子的同学一个建议，要想真正懂得电路，有条件一定要自己动手做一下!