設(shè)計(jì)單電源電路時(shí)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(yùn)算放大器應(yīng)用圖集，但是他們都建立在雙電源的基礎(chǔ)上，很多時(shí)候，電路的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單電源電路時(shí)需要比雙電源電路更加小心，設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器都有兩個(gè)電源引腳，一般在資料中，它們的標(biāo)識(shí)是VCC+和VCC-，但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識(shí)是VCC+和GND。這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊(cè)的作者企圖將這種標(biāo)識(shí)的差異作為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的區(qū)別。但是，這并不是說(shuō)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(yùn)放不是按默認(rèn)電壓供電的時(shí)候，需要參考運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，特別是絕對(duì)最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說(shuō)明。絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖一左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù)15V，正負(fù)12V和正負(fù)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(fù)電壓的擺動(dòng)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(yùn)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(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)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(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)特別分別指明Vo h和Vo l。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來(lái)參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來(lái)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(shí)運(yùn)放的輸出電壓擺幅會(huì)更低。另外現(xiàn)在運(yùn)放的供電電壓也可以是3V也或者會(huì)更低。出于這個(gè)原因在單電源供電的電路中使用的運(yùn)放基本上都是Rail-To-Rail的運(yùn)放，這樣就消除了丟失的動(dòng)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(yùn)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(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考數(shù)據(jù)手冊(cè)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(huì)退化，這是設(shè)計(jì)者的義務(wù)。

　　1. 2虛地

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

　　圖二

　　R1和R2是等值的，通過(guò)電源允許的消耗和允許的噪聲來(lái)選擇，電容C1是一個(gè)低通濾波器，用來(lái)減少?gòu)碾娫瓷蟼鱽?lái)的噪聲。在有些應(yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個(gè)電阻產(chǎn)生，但是其實(shí)這并不是完美的方法。在這些例子中，電阻值都大于100K，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，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(gè)小的、局部的地電平，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì)問(wèn)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(hào)源的輸出接到運(yùn)放的輸入端，這將會(huì)產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運(yùn)放將不能正確的響應(yīng)輸入電壓，因?yàn)檫@將使信號(hào)超出運(yùn)放允許的輸入或者輸出范圍。解決這個(gè)問(wèn)題的方法將信號(hào)源和運(yùn)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(yùn)放電路可以參考虛地。當(dāng)不止一個(gè)運(yùn)放被使用時(shí)，如果碰到以下條件級(jí)間的耦合電容就不是一定要使用：

　　第一級(jí)運(yùn)放的參考地是虛地

　　第二級(jí)運(yùn)放的參考地也是虛地

　　這兩級(jí)運(yùn)放的每一級(jí)都沒(méi)有增益。任何直流偏置在任何一級(jí)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(wèn)，裝配一臺(tái)有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個(gè)，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(lái)隔離信號(hào)源和運(yùn)放輸入以及運(yùn)放輸出和負(fù)載。一個(gè)好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和運(yùn)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(jí)的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問(wèn)題)

　　1. 4組合運(yùn)放電路

　　在一些應(yīng)用中，組合運(yùn)放可以用來(lái)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(shè)計(jì)者通常從獨(dú)立的功能原型開始設(shè)計(jì)，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對(duì)每個(gè)單元模塊進(jìn)行校驗(yàn)后將他們聯(lián)合起來(lái)。除非特別說(shuō)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(gè)剛開始做模擬設(shè)計(jì)的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應(yīng)該用1歐的還是應(yīng)該用1兆歐的?一般的來(lái)說(shuō)普通的應(yīng)用中阻值在K歐級(jí)到100K歐級(jí)是比較合適的。高速的應(yīng)用中阻值在100歐級(jí)到1K歐級(jí)，但他們會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在1兆級(jí)到10兆歐級(jí)，但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來(lái)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(jí)確定了，選擇標(biāo)準(zhǔn)的E-12系列電容。

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

　　基本電路

　　2.1放大

　　放大電路有兩個(gè)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(duì)于交流電路，反向的意思是相角被移動(dòng)180度。這種電路采用了耦合電容――Cin。Cin被用來(lái)阻止電路產(chǎn)生直流放大，這樣電路就只會(huì)對(duì)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(duì)直流放大進(jìn)行計(jì)算。在高頻電路中，不要違反運(yùn)放的帶寬限制，這是非常重要的。實(shí)際應(yīng)用中，一級(jí)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(shí)候就非常注意。如果要得到一個(gè)放大倍數(shù)比較的大放大器，用兩個(gè)等增益的運(yùn)放或者多個(gè)等增益運(yùn)放比用一個(gè)運(yùn)放的效果要好的多。

　　圖三

　　2.2衰減

　　傳統(tǒng)的用運(yùn)算放大器組成的反相衰減器如圖4所示

　　圖四