我們經(jīng)?？吹胶芏喾浅＝?jīng)典的運(yùn)算放大器應(yīng)用圖集,但是這些應(yīng)用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)識是VCC+和VCC-,但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識是VCC+和GND.這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標(biāo)識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,特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說明.
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Vom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Vom 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)手冊中會(huì)特別分別指明Voh 和Vol .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.雖然器件被指明是軌至軌(Rail-To-Rail)的,如果運(yùn)放的輸出或者輸入不支持軌至軌,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)手冊是否輸入和輸出是否都是軌至軌.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,通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇,電容C1 是一個(gè)低通濾波器,用來減少從電源上傳來的噪聲.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)電勢問題: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@將使信號超出運(yùn)放允許的輸入或者輸出范圍.
解決這個(gè)問題的方法將信號源和運(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間的耦合電容就不是一定要使用:第一級運(yùn)放的參考地是虛地
第二級運(yùn)放的參考第也是虛地
這兩級運(yùn)放的每一級都沒有增益.任何直流偏置在任何一級中都將被乘以增益,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,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隔離信號源和運(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,前級的輸出就就必須要用電容做隔離.(或者電路有問題)
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.在對每個(gè)單元模塊進(jìn)行校驗(yàn)后將他們聯(lián)合起來.除非特別說明,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?一般的來說普通的應(yīng)用中阻值在K 歐級到100K 歐級是比較合適的.高速的應(yīng)用中阻值在100 歐級到1K 歐級,但他們會(huì)增大電源的消耗.便攜設(shè)計(jì)中阻值在1 兆級到10 兆歐級,但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲.用來選擇調(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系列電容用來做參數(shù)的調(diào)整,但是應(yīng)該盡量不用.用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應(yīng)該用5%的,應(yīng)該用1%.
原文地址
http://www.ed-china.com/ART_8800016677_400011_500002_TS_d602570e.HTM
單電源運(yùn)放應(yīng)用圖集(二):基本電路
http://www.ed-china.com/ART_8800016699_400011_500002_TS_4152d9f7.HTM
