直流耦合单电源运放设计技术
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇直流耦合单电源运放设计技术范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】单电源运算放大器非常适合在低压、低功耗的便携式电子设备中使用，特别是电池供电的系统。但是由于单电源供电运放的输出只能是有一定限制的正电压，所以必须在输入电路上加适当的偏置，以使输入信号放大或衰减后被“偏移”到输出允许的正电压范围内，这给单电源运放电路设计带来一定的复杂性，本文通过单电源运放电路传输特性分析，将放大器归纳成六种不同的类型，并给出了每种类型的通用电路和设计方法。具有较好的规范性和通用型。
中图分类号：S611文献标识码： A
1.引言
大多数运算放大器要求双电源供电，即用两个端电压大小相等、极性相反的电源分别与运算放大器的+VCC端子和-VEE端子相连，而公共端接地。运算放大器本身没有接地端子，任何接地的输入信号源也就自动以+VCC和-VEE之间的中点电压（地电位）为参考点，所以输出电压也自动以地电位为参考点。单电源供电则不同，电源的正负端分别与+VCC和-VEE相接，-VEE同时作为输入输出的接地点。单电源和双电源供电最大的不同是输出的动态范围，双电源供电的输出电压不可能低于-VEE，也不可能高于+VCC，因此输出动态范围是接近但小于从-VEE到+VCC的一个正负区间；而单电源供电的输出动态范围是接近但小于0V到+VCC的一个正值区间。单电源运放设计技术的复杂性，就在于除了要考虑输入输出之间的传输特性，如的同相、反相以及增益外，还要根据输入信号的变化范围设计适当的偏置电路，让输出信号的变化始终处在低于电源电压VCC的正值范围以内。要解决这个问题有时采用交流耦合可能会简单一些，但这会使带宽变窄，对于某些输出信号变化非常缓慢的传感器来说不适用。因此本文只讨论直流耦合单电源运放的设计技术。
实际上，因为运算放大器本身没有接地管脚，无论双电源供电的普通运放还是特意指明的单电源运放，只要+VCC和-VEE之间不超过最大额定电压，都可以双电源供电或单电源供电，但普通运放采用单电源供电做不到0V输入、0V输出，应用有一定的局限性。而特意指明的单电源运放，由于内部输入输出电路经过专门设计，既可以0V输入也可以0V输出，比如LM324的输出范围是0V至VCC-1.5V。特别是具有轨对轨（Rail-to-Rail）特性的单电源运放比如OPA2350、MAX4634、MAX492等，输出范围非常接近0V到VCC。再就是普通运放一般需要±10V以上的电压才具有良好的性能，改为单电源供电后需要20V以上，这对低压、低功耗的的便携设备是不太合适的。以下讨论都以具有轨对轨特性的单电源运放为基础。
2.设计思路
设计一个单电源供电的运放电路，如果已知输入电压从变化到时，对应的输出电压从变化到，那么根据线性关系，对于允许范围内任意的输入电压，相应的输出电压必然满足直线方程：
其中，
是电路的交流增益，是同相放大电路，是反相放大电路。是由偏置作用在输出电压上产生的偏移电压（表现为轴上的截距），可由任意一对已知的输入、输出电压求得：
通常它与输入电路上所加的一个固定偏置电压源存在如下比例关系：
是比例系数。对普通双电源运放总有，而单电源运放却不一定，而且可正、可负。综合上述、及与和的各种组合，可以得到表1列出六种情况，分别对应着一种类型的电路。因此，我们可以事先根据和的取值特征，以 作为传输特性设计出六种类型的通用电路，并给出和与电路元件之间的关系式。针对具体应用时，只要根据设计要求，任意给出两对输入输出电压，便可通过前边给出的公式计算出电路的交流增益和偏移电压，然后根据和的符号和取值选择相应类型的电路，并计算元件参数。
表1
3.不同类型的单电源运放电路
以下各个电路中略去了电源的连接。实际一概应为：电源的正端接运放的+VCC管脚，负端接-VEE管脚和地。
3-1 ， 无偏置同相放大电路
可以采用图1所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图1 ， 无偏置同相放大电路
对比 ，电路的交流增益为，。
3-2 ， 无偏置反相放大电路
可以采用图2所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图2 ， 无偏置反相放大电路
对比 ，电路的交流增益为，。
3-3 ， 正偏置同相放大电路
可以采用图3所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图3 ， 正偏置同相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路允许输入信号在正负之间变化，当时，输出动态范围最大。
如果让电路中，，则输出与输入的关系可以简化成：
电路的偏置系数，交流增益和偏移电压可以分别调整互不影响，而且只有两个电阻参数需要计算。此时，电路获得最大输出动态范围的条件是。
3-4 ， 正偏置反相放大电路
可以采用图4所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图4 ， 正偏置反相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路也允许输入信号在正负之间变化，且当时，输出动态范围最大。
让电路中，，则输出与输入的关系可以简化成：
电路的偏置系数，交流增益和偏移电压可以分别调整互不影响，而且只有两个电阻参数需要计算。此时，电路获得最大输出动态范围的条件是。
3-5 ， 负偏置同相放大电路
可以采用图5所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图5 ，负偏置同相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路只允许输入信号在某个正值区间变化（参见表1）。
3-6 ， 负偏置反相放大电路
可以采用图6所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图6 ，负偏置反相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路只允许输入信号在某个负值区间变化（参见表1）。
4.设计举例
某采用VCC=+5V单电源供电的便携仪器要求把磁通门传感器输出的-7V到+7V电压转变成为0到5V的电压，之后送给ADS1251 24位AD转换器。我们选用轨对轨输出的单电源运放MAX4634完成这个转换工作。首先用输入输出特性上的两个已知点（-7V，0V）和（7V，5V）计算要求的交流增益和输出偏移量：
因为，，所以选用图3所示的正偏置同相放大电路。同时让，，使输入输出关系式得以简化。根据前面的讨论，这时电路的偏移电压，交流增益=0.357，取，则。设计结果如图7所示。
图7 正偏置同相放大电路设计实例
本实例取自笔者开发的仪器，已应用多年。
参考文献：
[1] Bruce Carter and Ron Mancini. Op Amps forEveryone, 3rd Edition. Baston (MA,USA): Newnes,2003.
[2] [日] 松井邦彦,邓学 译. OP放大器应用技巧100例. 北京. 科学出版社. 2006.
[3] 王晓东. 单电源运放的偏置原因分析与偏置方法. 现代电子技术. 2006(16).