電源工程師必看：最牛運(yùn)放應(yīng)用分析

　　引言

　　我們經(jīng)常看到很多非常經(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))

　　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。

　　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%。

　　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被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大，這樣電路就只會(huì)對交流產(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。

　　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四所示。

　　在電路中R2要小于R1。這種方法是不被推薦的，因?yàn)楹芏噙\(yùn)放是不適宜工作在放大倍數(shù)小于1倍的情況下。正確的方法是用圖五的電路。

　　在表一中的一套規(guī)格化的R3 的阻值可以用作產(chǎn)生不同等級的衰減。對于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計(jì)算

　　R3=(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))

　　如果表中有值，按以下方法處理：

　　為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個(gè)值，該值作為基礎(chǔ)值。

　　將Rin 除以二得到RinA 和RinB。

　　將基礎(chǔ)值分別乘以1 或者2 就得到了Rf、Rin1 和Rin2，如圖五中所示。

　　在表中給R3 選擇一個(gè)合適的比例因子，然后將他乘以基礎(chǔ)值。

　　比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，那么用12.1K的電阻就可以得到-3dB的衰減。

　　圖六中同相的衰減器可以用作電壓衰減和同相緩沖器使用。

　　2.3 加法器

　　圖七是一個(gè)反相加法器，他是一個(gè)基本的音頻混合器。但是該電路的很少用于真正的音頻混合器。因?yàn)檫@會(huì)逼近運(yùn)放的工作極限，實(shí)際上我們推薦用提高電源電壓的辦法來提高動(dòng)態(tài)范圍。

　　同相加法器是可以實(shí)現(xiàn)的，但是是不被推薦的。因?yàn)樾盘栐吹淖杩箤?huì)影響電路的增益。

　　2.4 減法器

　　就像加法器一樣，圖八是一個(gè)減法器。一個(gè)通常的應(yīng)用就是用于去除立體聲磁帶中的原唱而留下伴音(在錄制時(shí)兩通道中的原唱電平是一樣的，但是伴音是略有不同的)。

　　2.5 模擬電感

　　圖九的電路是一個(gè)對電容進(jìn)行反向操作的電路，它用來模擬電感。電感會(huì)抵制電流的變化，所以當(dāng)一個(gè)直流電平加到電感上時(shí)電流的上升是一個(gè)緩慢的過程，并且電感中電阻上的壓降就顯得尤為重要。

　　電感會(huì)更加容易的讓低頻通過它，它的特性正好和電容相反，一個(gè)理想的電感是沒有電阻的，它可以讓直流電沒有任何限制的通過，對頻率是無窮大的信號有無窮大的阻抗。

　　如果直流電壓突然通過電阻R1 加到運(yùn)放的反相輸入端上的時(shí)候，運(yùn)放的輸出將不會(huì)有任何的變化，因?yàn)檫@個(gè)電壓同過電容C1 也同樣加到了正相輸出端上，運(yùn)放的輸出端表現(xiàn)出了很高的阻抗，就像一個(gè)真正的電感一樣。

　　隨著電容C1 不斷的通過電阻R2 進(jìn)行充電，R2上電壓不斷下降，運(yùn)放通過電阻R1汲取電流。隨著電容不斷的充電，最后運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和輸出腳上的電壓最終趨向于虛地(Vcc/2)。

　　當(dāng)電容C1 完全被充滿時(shí)，電阻R1 限制了流過的電流，這就表現(xiàn)出一個(gè)串連在電感中電阻。這個(gè)串連的電阻就限制了電感的Q 值。真正電感的直流電阻一般會(huì)比模擬的電感小的多。這有一些模擬電感的限制：

　　電感的一段連接在虛地上;

　　模擬電感的Q值無法做的很高，取決于串連的電阻R1;

　　模擬電感并不像真正的電感一樣可以儲(chǔ)存能量，真正的電感由于磁場的作用可以引起很高的反相尖峰電壓，但是模擬電感的電壓受限于運(yùn)放輸出電壓的擺幅，所以響應(yīng)的脈沖受限于電壓的擺幅。

　　2.6 儀用放大器

　　儀用放大器用于需要對小電平信號直流信號進(jìn)行放大的場合，他是由減法器拓?fù)涠鴣淼摹x用放大器利用了同相輸入端高阻抗的優(yōu)勢。基本的儀用放大器如圖十所示。

　　這個(gè)電路是基本的儀用放大電路，其他的儀用放大器也如圖中所示，這里的輸入端也使用了單電源供電。這個(gè)電路實(shí)際上是一個(gè)單電源的應(yīng)變儀。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是需要完全相等的電阻，否則這個(gè)電路的共模抑制比將會(huì)很低。

　　圖十中的電路可以簡單的去掉三個(gè)電阻，就像圖十一中的電路。

　　這個(gè)電路的增益非常好計(jì)算。但是這個(gè)電路也有一個(gè)缺點(diǎn)：那就是電路中的兩個(gè)電阻必須一起更換，而且他們必須是等值的。另外還有一個(gè)缺點(diǎn)，第一級的運(yùn)放沒有產(chǎn)生任何有用的增益。

　　另外用兩個(gè)運(yùn)放也可以組成儀用放大器，就像圖十二所示。

　　但是這個(gè)儀用放大器是不被推薦的，因?yàn)榈谝粋€(gè)運(yùn)放的放大倍數(shù)小于一，所以他可能是不穩(wěn)定的，而且Vin -上的信號要花費(fèi)比Vin +上的信號更多的時(shí)間才能到達(dá)輸出端。

　　這節(jié)非常深入地介紹了用運(yùn)放組成的有源濾波器。在很多情況中，為了阻擋由于虛地引起的直流電平，在運(yùn)放的輸入端串入了電容。這個(gè)電容實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器，在某種意義上說，像這樣的單電源運(yùn)放電路都有這樣的電容。設(shè)計(jì)者必須確定這個(gè)電容的容量必須要比電路中的其他電容器的容量大100 倍以上。這樣才可以保證電路的幅頻特性不會(huì)受到這個(gè)輸入電容的影響。如果這個(gè)濾波器同時(shí)還有放大作用，這個(gè)電容的容量最好是電路中其他電容容量的1000 倍以上。如果輸入的信號早就包含了VCC/2 的直流偏置，這個(gè)電容就可以省略。

　　這些電路的輸出都包含了VCC/2 的直流偏置，如果電路是最后一級，那么就必須串入輸出電容。

　　這里有一個(gè)有關(guān)濾波器設(shè)計(jì)的協(xié)定，這里的濾波器均采用單電源供電的運(yùn)放組成。濾波器的實(shí)現(xiàn)很簡單，但是以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)者必須注意：

　　1. 濾波器的拐點(diǎn)(中心)頻率

　　2. 濾波器電路的增益

　　3. 帶通濾波器和帶阻濾波器的的Q值

　　4. 低通和高通濾波器的類型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell)

　　不幸的是要得到一個(gè)完全理想的濾波器是無法用一個(gè)運(yùn)放組成的。即使可能，由于各個(gè)元件之間的負(fù)雜互感而導(dǎo)致設(shè)計(jì)者要用非常復(fù)雜的計(jì)算才能完成濾波器的設(shè)計(jì)。通常對波形的控制要求越復(fù)雜就意味者需要更多的運(yùn)放，這將根據(jù)設(shè)計(jì)者可以接受的最大畸變來決定?；蛘呖梢酝ㄟ^幾次實(shí)驗(yàn)而最終確定下來。如果設(shè)計(jì)者希望用最少的元件來實(shí)現(xiàn)濾波器，那么就別無選擇，只能使用傳統(tǒng)的濾波器，通過計(jì)算就可以得到了。