运放单电源设计方法

运算放大器（op-amp）简称运放以其优异的性能价格比，高集成度、可靠性，几乎任何需要添加信号增益、调理功能的电子系统都可应用运算放大器。经历几十年的发展，虽然现在已有单电源型运放产品（如AD875X系列），但有些场合仍希望将双电源型运放改为单电源下工作。这一点是可以实现的，只是需要在输入端加信号基准电平提升电路，输出端的静态电平也不再为零，因此由双电源改用单电源接法后更适合放大交流信号。1运算放大器种类一般来说，对于高阻抗信号源的应用电路、采样一保持电路、带通滤波器等应选用高输入阻抗型运放（如LF156）。对弱信号精密测量、高增益交流放大器、汽车电子及工业控制系统等应选用高精度运放（如OPA379）。对于快速变化的输入信号系统、A/D和D/A转换器、通讯和视频系统等应选用高速运放（如AD827）对于袖珍仪器、手机等以电池供电的便携式电子产品宜选用低电压/低功耗运放（如EL2071C）。对于无特殊要求的场合可采用通用型运放（如UA741）。2运放参数的确定运放参数种类繁多，在考虑性价比的基础上选用最合适的运放是设计者要考虑的问题。可优先考虑以下几个参数：开环增益&在给定的运算帝度如気条件下应满足1/（观屮）弐.1%,其中F为反愉系数.如图1＞图2所示电路F二“.若闭环增益®近似100,即占丄二100,则观＞1此R、带宽BW对小信号而言，运放闭环带宽与闭环增益的乘积存在“增益带宽积”不变的关系，其乘积等于单位增益带宽；对大功率信号而言，一般比单位增益带宽小约100倍；运放一3dB闭环带宽应高于信号的最高工作频率。优值系数优值系数，转换速率SR大则运放交流特性佳上限频率高，如高速运放一般SR>10V/a6；输入偏流(inputbiasicurrent)I(BS)失调电压(inputofsetvoltage)Vos越小则运放直流特J性越好。3单电源供电运放电路3.1反相交流放大器为使电路能对交流信号放大而不失真，单电源供电的运放两输入端和输岀端静态电压不能为0,必须大于输岀交流信号幅値，一般取电源电压％值的一半中图I中为静态偏置电阻，这样运放的输入输出端的静态电压为减小由于输入偏流产生的失调课差应使尺产岡叽一紐来说局、咼的阻值在Vcc为12V-15V时取lOOkn；%为5V高速运放1船采用电流反馈式，为了不使大阻值创与分布参数形成低通滤波器过多降低上限频率以及反应速度，应取较小阻值的号，如用AD811时丙的推荐值为"0°因此采用电流反馈式高速运放时也应减小尽和局的值，以减小输入偏流产生的失调误差，不然的话就要用FET输入级的运放。有时还可以在图1中运放同相输入端与&局连接处间接一个电阻，防止在关机时G剩余的电压损坏运放。3.2同相交流放大器图2中局、局组成分压式倔置电路，一般使运放的输入输岀端的静态电压为V4为减小误差电压应使心二局为増加放大器输入电阻而设◎本电路失去了直流应用时的高输入阻抗特性，由于输入端共模信号较大对运放闭共模抑制比耍求较商“电路环增益亏=1+乞。电路弓朋带时取42kQ;%为工3V时选27kH左右。图I电路输入电阻较低为g输出电阻低，共模输入信号小对运放共模抑制比要求不是很高；闭坏增益D、一丄0电路3dB下限频率由血1，九2,fu3中髙者抉定，为使旁路效果好应使几丁为其他值的十分之一左右；电路-3dB±限频率由氐和“增益带宽积”决定：如UA741运放SK=0.5V/ps,对正弦量根据5>>2兀fHV0M,〃是-3dB带寛上限频率，若输出电压叫=2.5V,则疑高工作频率为30kHz;pA741的Ao为2x10^开环带宽为5Hz,根据増益带宽积关系，在Af=50时〃为20kHz.宽下限频牢由fL2>仏屁中高者决定，为使旁路效果好应使/h为其他值的十分之一；放大器-3dB上限频率也由弘和"増益带宽积肝共同决定*单电源工作时，双极型运放的输出交流电压幅值达不到此』2。因为当输出电压幅值接近32时，运放输出端直流电位接近％或0,而这种情况下运放内部晶体管已进入饱和或截止区从而对输出电压箝位。一般来说输出交流电压幅值应控制在小于（卩詔2丄5¥）,否则会产生削峰失真"若嬰扩大输岀电压峰值可采用轨对轨运放。在直流放大器中运放输岀端的静态电压误差可用占咕（1+字）咯+勺估算，式中Q为失调电流（inputoffsetcurrent）Q而图1、图2所示的交流放大电路则对运放的/严f倚要求不高。图2同拥輸入触丸器减法运算（差分输入）电路因偏置电阻配置要求高，调节不便而在实际设计应用不多。高增益放大器还存在工作稳定性的问题，可按厂家提供的相位补偿法防止高频自激，也可在运放同、反相两个输入端间联接RC串联电路或在凡旁并联电容器，为防止放大器上限频率下移太多，补偿电容容量不能太大。若考虑转换速率，相位补偿越是靠近前面部分，效果越好，当然也带来噪声增大的问题。如果Rf是频率的函数则还可改变放大器的频率特性。图3輯压偏査的同相输入电站图4穗压儡理的辰相输入电路为防止电源波动及提高旁路性能还有另一种为单电源工作的运放提供Vr./2的方法见图3和图4。图中R3应等于凡以减小输出端直流偏置误差，为防止稳压管噪声影响，在低噪声放大器应用时C3容量选IOuF以上，V.的稳压值选择在V},/2处，R2是V1的限流和偏置电阻。在低电压供电如3.3V,则V,v/2只有1.65V,而稳压二极管稳压值在3V以上，为此可采用三端稳压集成块，如CW317输出的稳压值可在1.25V-37V可调。3仿真结果目标电路的理想工作条件为电源电压VDDA为3V;VDDA低于2.5V时，输出低电位；VDDA再次升高高于2.7V时，重新输出高电位。因此，设置R1为1260W,R2为1240M,Ry为200M,QNPN1.QNPN2发射极面积比为&1。使用商用0.61tmBiCMOS工