设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心

介绍

我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是他们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Vo m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Vo m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Vo h和Vo l。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Rail-To-Rail的，如果运放的输出或者输入不支持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，所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是Rail-To-Rail。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。在有些应用中可以忽略缓冲运放。在下文中，有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生，但是其实这并不是完美的方法。在这些例子中，电阻值都大于100K，当这种情况发生时，电路图中均有注明。

1. 3交流耦合

虚地是大于电源地的直流电平，这是一个小的、局部的地电平，这样就产生了一个电势问题：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，这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情，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入或者输出范围。解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法，输入和输出器件就都可以参考系统地，并且运放电路可以参考虚地。当不止一个运放被使用时，如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用：

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。

如果有任何疑问，装配一台有耦合电容的原型，然后每次取走其中的一个，观察电工作是否正常。除非输入和输出都是参考虚地的，否则这里就必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入以及运放输出和负载。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，前级的输出就就必须要用电容做隔离。(或者电路有问题)

1. 4组合运放电路

在一些应用中，组合运放可以用来节省成本和板上的空间，但是不可避免的引起相互之间的耦合，可以影响到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。设计者通常从独立的功能原型开始设计，比如放大、直流偏置、滤波等等。在对每个单元模块进行校验后将他们联合起来。除非特别说明，否则本文中的所有滤波器单元的增益都是1。

1. 5选择电阻和电容的值

每一个刚开始做模拟设计的人都想知道如何选择元件的参数。电阻是应该用1欧的还是应该用1兆欧的?一般的来说普通的应用中阻值在K欧级到100K欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在100欧级到1K欧级，但他们会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1兆级到10兆欧级，但是他们将增大系统的噪声。用来选择调整电路参数的电阻电容值的基本方程在每张图中都已经给出。如果做滤波器，电阻的精度要选择1%E-96系列(参看附录A)。一但电阻值的数量级确定了，选择标准的E-12系列电容。

用E-24系列电容用来做参数的调整，但是应该尽量不用。用来做电路参数调整的电容不应该用5%的，应该用1%。

基本电路

2.1放大

放大电路有两个基本类型：同相放大器和反相放大器。他们的交流耦合版本如图三所示。对于交流电路，反向的意思是相角被移动180度。这种电路采用了耦合电容――Cin。Cin被用来阻止电路产生直流放大，这样电路就只会对交流产生放大作用。如果在直流电路中，Cin被省略，那么就必须对直流放大进行计算。在高频电路中，不要违反运放的带宽限制，这是非常重要的。实际应用中，一级放大电路的增益通常是100倍(40dB)，再高的放大倍数将引起电路的振荡，除非在布板的时候就非常注意。如果要得到一个放大倍数比较的大放大器，用两个等增益的运放或者多个等增益运放比用一个运放的效果要好的多。

图三

2.2衰减

传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图4所示

图四