单电源运算放大器的使用.docx

单电源运算放大器的使用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 VCO和VCO,但是有些 时候它们的标识是VCG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 要那样使用一一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 Vom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VCO,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Vom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 Voh和Vol 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）♦supply o< 抬 upply oHALF SUPPLY oSUPPLY q1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E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轨至轨（Rail -To-Rail）的，如果运放的输出或者输入不支持轨至轨，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轨至轨这样才能保证系统的功能不会退化，这是设计者的义务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。

R1 100 knR2 100 knII.o Vcc/2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11.5 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%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一一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INVERTINGGain s - R2 R1 R3-R1||R2 for minimum orrcr lue to input bU$ currentNONlMVFRTIhGG-iin = t + R2"R1Input impedance = R1|[R2 for rnlnjrnum 3「「中・ du中 t* Input bia& ciirtontrccc _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四所示INVERTINGGaln--R2/R1R3 = R1||R2 for minimum «rror due to input bias current图四在电路中R2要小于R1o这种方法是不被推荐的，因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于 1倍的情况下。

正确的方法是用图五的电路INVERTINGCornp-o wnt values normaiifed to unity图五在表一中的一套规格化的 R3的阻值可以用作产生不 同等级的衰减对于表中没有的阻值，可以用以下的 公式计算R3= (Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))如果表中有值，按以下方法处理：为Rf和Rin在1K到100K之间选择一个值，该值作为基础值将Rin除以二得到RinA和RinB将基础值分别乘以1或者2就得到了 Rf、Rin1和 Rin2,如图五中所示在表中给R3选择一个合适的比例因子，然后将他乘 以基础值比如，如果 Rf是20K RinA和RinB者口是10K,那么用12.1K的电阻就可以得到一3dB的衰减DB PadVouVVinR301.00 0Q0 50.94J16 4S8310 8gl34 P 9"2力 7942(19S112口 70791 21203.0107071L2071 J3.520 66&71.00040.6310Q8&4950.56230 642460-5012C.50246.02U.5U0D0.500070 44670 403689 39310 330790.351 aQNT5。

9 £4n 333a252100.31 B20 2312120.25120.167712 U0 2500166713 98□ 20000 175150.17780.103115 560.16&7OJOCO16 900.14290吃3316312590 0720118 060. 12500.0714319.080 11110.0&250010000 05556a05&20.02979300Q3160.0163340OOlE)n 口 ox151500 00320.001586叱{J.001D0 0005005表一图六中同相的衰减器可以用作电压衰减和同相缓冲器使用NONINVERTINGComponentnormalkEod to unrtyo» niVh O | |.AveeJiFigure 氏 Noninverting Attenuation图六2. 3加法器图七是一个反相加法器，他是一个基本的音频混合器但是该电路的很少用于真正的音频混合器因为这会逼近运放的工作极限，实际上我们推荐用提高电源电压的办法来提高动态范围同相加法器是可以实现的，但是是不被推荐的因为信号源的阻抗将会影响电路的增益。

NONIMVERTIMGComponent values nofmatti^d to unrtyVtL'i图七2. 4减法器就像加法器一样，图八是一个减法器一个通常的应用就是用于去除立体声磁带中的原唱而留下伴音 （在 录制时两通道中的原唱电平是一样的，但是伴音是略有不同的）2. 5模拟电感图九的电路是一个对电容进行反向操作的电路，它用 来模拟电感电感会抵？电流的变化，所以当一个直 流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的过程，并且电感中电阻上的压降就显得尤为重要如果直流电压突然通过电阻 R1加到运放的反相输入 端上的时候，运放的输出将不会有任何的变化，因为 这个电压同过电容C1也同样加到了正相输出端上，运放的输出端表现出了很高的阻抗，就像一个真正的 电感一样随着电容C1不断的通过电阻R2进行充电，R2上电压不断下降，运放通过电阻 R1汲取电流随着电容不断的充电，最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地（Vcc/2）当电容C1完全被充满时，电阻R1限制了流过的电 流，这就表现出一个串连在电感中电阻这个串连的 电阻就限制了电感的Q值真正电感的直流电阻一般 会比模拟的电感小的多这有一些模拟电感的限制：电感的一段连接在虚地上；模拟电感的Q值无法做的很高，取决于串连 的电阻R1;模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能 量，真正的电感由于磁场的作用可以引起很高的反相 尖峰电压，但是模拟电感的电压受限于运放输出电压 的摆幅，所以。