运放单电源供电

运算放大器篇-第四章运放单电源供电42第四章运放单电源供电经典的运算放大器供电电路一般都采用正负电源对称的双电源供电，而这种架构需要同时提供两个电源。在现在电池供电设备、便携产品越来越流行的今天，对单电源供电运放的需求越来越多，因此，为了使用方便，很多运放放大器都支持单电源供电结构。但很多设计者并不是非常清楚如何正确的使用单电源供电，本章通过仿真，对几种常用单电源供电电路进行分析，介绍运放的单电源供电设计技巧和注意事项。4.1单电源运放从运算放大器结构上讲，运放在工作时无法分清自己是被双电源供电，还是单电源供电。任何运放的两个电源端，只要满足有足够的压差，运放就可以工作。不存在单电源专用运放，或者双电源专用运放。所有的运放放大器都有两个电源引脚，分别标示为+VCC和-VCC(或-VEE)，常见的双电源供电是由一个正电源和一个电压绝对值相等的负电源组成，通常为±15V、±12V或±5V，此时输入和输出都是相对于GND进行计算，图1所示为典型双电源运放供电电路。单电源供电的运算放大器，是由一个正电源和GND组成，当使用单电源供电运放调理双极性信号时，必须为其提供“直流偏置电压”，使得输出电压以一个正确的电平（通常为+VCC/2，或后端ADC满量程输入的1/2）为中心摆动，一方面是使得输入的负电压能够被正确的输出，另一方面可以获得最大的动态范围。4.2单电源运放电路的基本偏置方法单电源供电根据提供偏置不同的方法，可以分成交流耦合和直流耦合两种。交流耦43合方式在信号输入端加入耦合电容，隔离直流信号，仅对交流信号起到放大作用。交流耦合要考虑到信号的频率，这是因为电容C的阻抗为1/jwc，对于高频信号w较大只需要一个较小的C耦合即可达到低串联阻抗。而对于低频信号则需要较大的C，C的容值跟体积是相关的，也就意味着低频时用交流耦合需要很大体积的电容，这在某些应用场合是不合适的。接下来让我们看看如何正确的选择参考电压，使得产生正确的输出。分析参考电压时主要用到叠加原理，将信号和参考看做两个信号源，利用叠加原理将两者经过运放后的结果相加。参考电压的选择主要考虑两个因素：1、使输出信号的Vpp最大，充分利用运放的输出能力。2、根据后级的直流电平要求来设计，确保本级的直流输出能满足后级输入。使Vpp最大时，参考电压的选取跟运放输出范围直接相关，由于运放的输出不都是轨到轨的，所以不能都按输出直流在VCC/2来设定。应该按照输出直流分量在（Voutmax-Voutmin）/2位置来选择参考的电压，这样才能保证输出的Vpp最大。使本级的直流输出能满足后级输入时，从要求的输出直流分量反推出参考电压即可。例如运放作为ADC的输入缓冲时，由于某些型号的ADC对输入的共模电压（直流分量）有要求（例如1.8V或者1.5V），选择参考电压时就要使运放的输出直流分量满足ADC的共模电压。1、直流耦合型（输入信号不带DC分量）我们首先来看一个双电源供电的例子，同过TINA仿真，其输入输出信号如下图所示。图中可以看到当输入信号为正弦波时，经过反相放大，输入输出信号均以系统地0地位作为中心，正负半周进行波动。如果此时我们将上图的双电源的负电压直接改成GND，输入相同的信号，我们会看到如下图所示的输入输出波形，可以看到由于只有正电源供电，输出信号的负半周无法被输出，为了解决这个问题，我们可以在输入端加入一定的直流偏置，从而将整个输出电压抬高。T0.005.00m10.00m15.00m20.00mAxislabel-1.00-500.00m0.00500.00m1.00OutputInput运算放大器篇-第四章运放单电源供电44通过正确的直流偏置，可以使得单电源供电的放大器输出能够在以VCC/2为中心，得到较好的动态范围。根据上图和叠加定理，我们得到：因为这里R2=R1，整理得到：为了使输出信号在VCC/2=2.5V上摆动，可以求得VREF=1.25V。输入输出信号波形图如上图右图所示。经过正确偏置的输出信号能以2.5V为中心，从而得到了最大的输出摆幅。2、直流耦合型（输入信号带有DC分量）上面我们介绍了输入信号不带直流分量的单电源供电的应用，下面我们再来看下当输入信号中带有直流分量的情况。如下图所示：T0.005.00m10.00m15.00m20.00mAxislabel-1.00-500.00m0.00500.00m1.00OutputInputT0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.000.001.002.003.004.00OutputInputTVinVout0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel1.002.003.004.00VoutVin45比如用于两级放大，前级输出的VDC=VCC/2=2.5V，根据上面公式计算，只需把第二级的VREF设为VCC/2=2.5V即可使Vout的直流在2.5V。可以看到仿真图中第二级输出的直流分量保持在2.5V。如果第二级不用参考进行直流偏置的话，由于第二级是反向放大器，来自第一级的DC信号将反向为负电压，但是运放是单电源供电没有负压，所以运放就会偏到GND电位。读者可以用TINA-TI仿真一下。3、交流耦合型从上面的分析我们看到，有几种情况会使得直流耦合型的偏置设定变得复杂，一种是放大倍数较大或呈小数时，VREF难以取整；另一种是当输入信号本身不是以GND为中心，而也带有直流偏置的时候，计算也会变得复杂。此时，如果我们对信号的直流信息不感兴趣，我们可以采用交流耦合的方式，更为简单的让输出在准确的VCC/2上摆动。交流耦合方式通过在信号输入端加入耦合电容，形成一个高通滤波器，隔离直流信号，仅对交流信号起到放大作用。以下图为例，C1为耦合电容，其阻抗对直流信号来说无穷大。下图显示了该电路的频响特性，可以看到当输入信号频率超过100Hz后，C1可以视为完全短路，此时交流信号的增益为G=-1（0db）为了让放大器的输出以VCC/2为中心，我们考察反相端的Vref对输出的贡献。（）其中Z1为C1和R1串联后的阻抗，因为C1对直流电平有无穷大的阻抗，所以Z1也趋TVF1VF20.00500.00u1.00m1.50m2.00mAxislabel1.502.503.50VF2VF1TFrequency(Hz)100m1101001k10k100k1M10M100MGain(dB)-28.09-14.040.00运算放大器篇-第四章运放单电源供电46于无穷大，VDC直流无法通过C1，上式可以简化为：取Vref=2.5V，得到如下图的输入输出结果：采用交流耦合时，无论Vin中是否带有直流分量VDC,交流耦合放大器会阻止VDC，而只放大交流信号，如下式所示：比如我们在TINA仿真中设定Vin=0.5V+VAC，可以得到如下的输入输出结果：可以看到虽然VF1信号（input）的直流分量增加，由于C1的AC耦合，不影响输出的直流。4.3其他一些基本的单电源供电电路我们以OPA227为例，来介绍其他一些常见的单电源供电的基本电路。OPA227是一款高精度、低噪声的运算放大器，其失调电压低至5µV,输入电压噪声小于90nVp-p,供电电压范围也非常宽：±2.5V至±18V。此外，在设计单电源供电的电路中一定要考虑到其轨到轨特性的影响，尽量保证输出电压动态范围能够达到最大。(1)同相放大器，直流耦合如下图所示电路，电源供电电压为10V，同相输入端输入信号为±1V，参考电压Vref=Vs+/2,根据叠加定理：Vout=Vin+Vref。通过加入直流偏置，使得输出电压在以+5VT0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.000.001.002.003.004.00OutputInputTVF1Vout0.005.00m10.00m15.00m20.00mAxislabel-499.95m293.80m1.091.882.683.47VF1Vout47为中心处，能达到最大的动态范围。但是上图电路的使用过程中需要考虑到OPA227的轨到轨特性，OPA227不具有输入和输出的轨到轨特性。如果我们将上图中的Vs换成+5V，Vref仍然为Vs/2,按照理论分析，输出Vout=(±1V)+2.5V，但是我们仿真的实际结果却会出现信号的失真，如下图所示。由于OPA227不具有轨到轨输出特性，根据数据手册可知，OPA227输出电压范围(V+)-2至(V-)+2之间，对于下图的电路，其输出电压范围为2V-3V，而理论的Vout范围为1.5V-3.5V，超出了电压输出范围，从而造成了输出的失真。刚才考虑到的是轨到轨输出特性，下面我们再将上图的电路图进行修改，参考电压为1.25V，反相输入信号为±400mv的正弦信号，得到下图所示的电路图，按照理论计算，Vout=2*Vref–Vin=2.5V–（±0.5V），在其输出电压范围2V-3V范围内，但是经过仿真我们看到图4.10输出一个直流电平。OPA227也不具备轨到轨输入特性，查阅OPA227的数据手册，其输入电压范围：（V-+2）至（V+-2），这就要求同相和方向端的输入电压也在2V-3V范围内，我们在反相端提供的±400mV的电压不能满足这一要求，从而导致了放大器设计的失败。T0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.000.001.002.003.004.005.006.007.00OutputInputT0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.000.001.002.003.004.00OutputInputT0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.00-500.00m0.00500.00m1.00OutputInput运算放大器篇-第四章运放单电源供电48下面我们将上图的放大器两个输入端电压稍微改变一下，得到如下图所示的另外一种同相放大器。根据叠加定理：Vout=2*(Vin+Vref)–Vref=2*Vin+Vref通过在同相和反相端都加入直流偏置，输出信号获得一个Vs+/2的直流偏置，从而达到保证输出的最佳动态范围。(2)同相放大器，交流耦合如下图所示，为交流耦合型单电源供电同相放大器结构。隔离电容C1，使得反馈环路只放大Vin的交流信号，对Vref只有跟随作用，不对其进行放大，这样参考电压Vref就与电路的闭环增益无关。隔离电容C2，使得下图2点的参考电位不会随着Vin的输入变化而变化。根据叠加定理：在上面的介绍中我们知道，OPA227不是轨到轨输入的运放，因此对输入端的电压是有限制的，峰值为1V的正弦波无法直接加到运放的同相端和反相端。因此通过在同相端加入Vs+/2的参考电压，使得同相端输入电压达到输入电压范围；又根据放大器负反馈情况下，下图中1点和2点电压相等，使得同相端输入电压也能达到输入电压范围。T0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-2.000.002.004.006.008.00Output输入T0.0010.00m20.00m30.00m40.00m50.00mAxislabel-1.000.001.002.003.004.005.006.007.00OutputInput