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—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：
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，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/μs;输入偏流（inputbi asicu rrent）I（BS）失调电压（input ofset voltage）Vos越小则运放直流特J性越好。
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。
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 C W317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 ，QNPN 1. QNPN2发射极面积比为8: 1。
使用商用0.61tm BiCMOS工艺，使用Hspice对电路进行仿真。
电源电压由高变低情况的仿真波形如图2所示，电源电压由低变高情况的仿真波形如图3所示，迟滞量如图4所示。
自-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ﻫ一般来说,对于高阻抗信号源的应用电路、采样—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)。
ﻫ 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：ﻫ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。
ﻫ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/μs；输入偏流（ｉnｐuｔbi asicu ｒrent)I(BＳ）失调电压(input oｆseｔvoltage）Vｏs 越小则运放直流特Ｊ性越好。
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R Ｃ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。
单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计
目前在许多手持设备、汽车以及计算机等设备只用单电源供电，但是单电源容易出现不稳定问题，因此需要在电路外围增加辅助器件以提高稳定性。
在电路图1中展示了单电源供电运算放大器的偏置方法，用电阻RA与电阻RB构成分压电路，并把正输入端的电压设置为Vs/2。
输入信号VIN是通过电容耦合到正输入端。
在该电路中有一些严重的局限性。
首先，电路的电源抑制几乎没有，电源电压的任何变化都将直接通过两个分压电阻改变偏置电压Vs/2，但电源抑制的能力是电路非常重要的特性。
例如此电路的电源电压1伏的变化，能引起偏置电路电压的输出Vs/2变化0.5伏。
该电路的电源抑制仅仅只有6dB，通过选用SGM8541运算放大器可以增强电源抑制能力。
图1：单电源供电运算放大器的偏置方法。
其次，运算放大器驱动大电流负载时电源经常不稳定，除非电源有很好的调节能力，或有很好的旁路，否则大的电压波动将回馈到电源线路上。
运算放大器的正输入端的参考点将直接偏离Vs/2，这些信号将直接流入放大器的正输入端。
表1：适用于图2的典型器件值。
在应用中要特别注意布局，多个电源旁路电容、星形接地、单独的印制电源层可以提供比较稳定的电路。
偏置电路的去耦问题解答这个问题需要改变一下电路。
图2从偏置电路的中间节点接电容C2，用来旁路AC信号，这样可以提高AC的电源抑制，电阻RIN为Vs/2的基准电压提供DC的返回通路，并且为AC输入提供了交流输入阻抗。
图2：接电容C2来旁路AC信号，提高AC的电源抑制。
这个偏置电路的-3dB带宽是通过电阻RA、RB与电容C2构成的并且等于此偏置电路当频率在30Hz以内时，没有电源抑制的能力，因此任何在电源线上低于30Hz 的信号，能够轻易地加到放大器的输入端。
一个通常解决这个问题的方法是增加电容值C2，它的值需要足够的大，以便能有效地旁路掉偏置电路通频带以内的全部噪声。
然而在这里比较合理的方法是，设置C2与偏置电路连接点的带宽是十分之一的信号输入带宽，参见图2。
运算放大器的单电源供电方法
运算放大器的单电源供电方法大部分运算放大器要求双电源(正负电源)供电，只有少部分运算放大器可以在单 电源供电状态下工作，如 LM358(双运放)、LM324(四运放)、CA3140(单运放)等。
需要 说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源 供电状态下工作。
例如，LM324 可以在、+5~+12V 单电源供电状态下工作，也可以在 +5~±12V 双电源供电状态下工作。
双电源运放在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直 流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交 流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图 1(a)所示，其运放输出波形如图 1(b) 所示。
该电路的增益 Avf=-RF/R1。
R2=R3 时，静态直流电压 Vo(DC)=1/2Vcc。
耦合电容 Cl 和 C2 的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗(对于 C1)或负载(对于 C2)来确定。
Cl 及 C2 可由下式来确定：C1=1000/2πfoR1(F)；C2=1000/2πfoRL(F)，式中，fo 是所要求最 低输入频率。
若 R1、RL 单位用 K，f0 用 Hz，则求得的 C1、C2 单位为 F。
一般来 说，R2＝R3≈2Rf。
图 2 是单电源加法运算放大器。
该电路输出电压 Vo=-RF(V1/Rl+V2/R2+V3/R3)，若 R1=R2=R3=RF，则 Vo=-(V1+V2+V3)。
需要说明的是,采用单电源供电是要付出一定代价的。
它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。
思考题 (1)图 3 是一种增益为 10、输入阻抗为 10K、低频响应近似为 30Hz、驱动负载为 1k 的单电源反相放大器电路。
该电路的不失真输入电压的峰—峰值是多少呢?(提 示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图 4 所示)；(2)图 5 是单电源差分放大器。
单电源供电运放的差分运算放大器
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单电源运放交流放大器的设计
单电源运放交流放大器的设计单电源运算放大器(如LM324类)采用一组正电源供电，使用比较方便.但作为交流放大器使用时，使用不当会产生信号失真.例如，图1是想利用单电源运放构成一个同相输入放大器，但输出信号却产生了负向切割失真.一些使用者误认为，单电源运放不适合在交流放大器中使用.其实，这是由于使用不当造成的因为单电源运放只能输出V≥0的信号，而在图1中，要求输入信号在运放同相输入端出现时必须高于地电位(V+＞0).假如输入端是一个带有直流成份的正弦信号，通过隔直电容后将是一个失去直流成份的纯交流信号.在交流信号的负半周(V+＜0)，输出端不可能输出V＜0，所以负半周将被切割.图1解决单电源运放产生的交流信号的失真问题，可以在运放同相输入端加直流偏置，使运放在静态时输出端有一个直流偏置电压输出.这样，当交流信号输入时，输出信号将在左右变化，在动态范围之内，信号不会失真，如图2所示.输出端静态偏置电压一般可以为供电电源电压的1/2左右，以输出信号不产生失真为原则.本文以图3所示的同相输入运放电路为例，说明单电源运放交流放大器的设计方法.图2图3因运算放大器工作在线性放大区，由电路线性迭加原理可知，总输出为直流输出与交流输出之和，即(1)式中,0、I为直流输出、输入信号；、i为交流输出、输入信号；Av为同相输入运放的放大倍数.(2)静态设计只与直流参数有关，由图3知(3)为推出一般表达式，可令(4)假设将运放输出直流电压偏置在某一V值，使(5)考虑到运放直流输出为(6) 将(3)(4)(5)式代入(6)式，整理得(7)在实际应用电路中，一般都是先确定放大器的放大倍数，即R4/R3.如果设定V为某一值，即可由(5)式和(7)式求出K值及输入端偏置电阻的比值KR .再选定R1、R2之间任一个数值，就可以算出全部电路参数.例设计一个电压放大倍数为10倍的同相放大器.因A v=10，取R3=10kΩ，代入(2)式可求出R4=90kΩ.如果将V0设定为Ec/2，由(5)式得K=1/2.将A v值及K值代入(7)式，求出K R=19.取R2=10kΩ，由(4)式可求出R1=190kΩ.一般情况下，各电阻值取相近系列值即可.如果交流放大倍数精度要求较高，R3可用精密微调电阻调节使之满足要求.直流偏置电压V是为了保证运放能正常工作，一般不需精确调定.由于交流放大电路采用隔直电容耦合，直流偏差不会逐级放大传递.反相输入单电源运算放大器实用电路见图4，它的总输出为图4(8)式中第1项仍为直流偏置设定项.上面推出的同相输入运放的直流参数设计仍适用，只是在反相输入时，其交流放大倍数为根据上述设计原则，还可以设计出其它类型的交流放大电路，不再赘述.另外，单电源运放如不用隔直电容，也可用于单极性信号Vi ＞0、V＞0的电路中.例如某些单极性的D/A接口电路，在同相输入时，不加直流偏置即可正常工作.在反相输入时，必须加直流偏置.考虑到输入信号源的内阻，上述关于偏置的计算式仍适用.这种电路当输入信号上升时，输出的是一个下降信号，偏置设计应留出这一下降空间，否则信号将失真.参考文献：［1］章诗白. 模拟电子技术基础(下册) ［M］. 北京：人民教育出版社，1981. ［2］梁明理. 电子线路(下册) ［M］. 北京：高等教育出版社，1991.。
单电源供电运放电路设计
单电源供电运放电路设计模拟电路设计，在学习中还属于薄弱环节。
以设计单电源供电、由运用运放构成、输入方波、输出三角波的电路为例，探讨一下设计中一些需要考虑的问题。
1.运放双电源供电运放通常使用正负相等的双电源供电，输入信号和输出信号均以“地”（电位为0）为参考点。
图图双电源供电电路需要关注如下问题：（1）电路的静态（输入信号为0，输入端接地）时，同相、反相输入端直流电位应近似为0（理想为0），输出端为0（0为运放理想情况，实际可能相差较大，因为运放开环具有极高增益、且有运放的失调、R的差异等）。
静态输出不为0的解决办法是：在电容上并联一个100--500倍R的电阻，使电路在静态时形成-100到-500倍增益的放大电路，选用100—500倍R的并联电阻，是让RC的积分特性仍近似为RC确定（100-500R的影响近似忽略）。
此时输出静态电压若还有较小的输出静态电位偏差（指不为0），可通过运放的调零电路解决。
电路如图所示。
图（2）运放反相输入端的电阻，称为静态平衡（匹配）电阻，主要抵消运放输入电流在输入端产生微小差模直流电压。
这里需要注意，运放的两个输入端必须有直流通路，为其提供输入电流，这样运放才能在放大状态下正常工作。
LT1226运放内部的输入部分电路见图。
除加电源外，只有给运放内部T1、T2的基极适当的直流偏置（适当的直流电位及基极电流），才能工作于放大区。
图2. 运放单电源供电运放使用单电源供电，需要将电路的静态工作电位调整到。
即两个输入端及输出端的静态电位均应为。
解决的办法之一是通过两个电阻分压，提供给运放的输入端。
类似与晶体管电路中讲到的分压式负反馈偏置电路，分压电路需要有稳定的分压值，使基极电流的影响可以忽略。
电路见图。
-+i v o R m V +m -V图图中：（1）由于反相输入端的电阻R串接了电容，没有直流通过了，所以同相输入端的直流匹配电阻换为100R，与反馈电容并联的电阻实现直流匹配（这里忽略了两个10R电阻的影响）。
运放单电源供电
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
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：
T 4.00
Vin
Vout
00
Axis label
2.00
1.00 0.00
10.00m
20.00m
30.00m
40.00m
50.00m
44
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。
10.00m
20.00m
30.00m
40.00m
50.00m
(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。
使用单电源的运放交流放大电路
使用单电源的运放交流放大电路默认分类 2010-11-18 11:39:21 阅读46 评论0 字号:大中小订阅在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。
所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。
因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0,+Vcc之间变化。
在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc,2。
这样能够得到较大的动态范围;动态时，V0在+Vcc,2值的基础上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，输出电压uo 的幅值近似为Vcc,2。
图3请见原稿1(2(1 单电源同相输入式交流放大电路图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。
电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。
所以，静态时运放输出端的电压V0=V-?V+=+Vcc,2;C通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。
放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻Ri=R1,R2,rif?R1,R2，放大电路的输出电阻R0=r0f?0。
1(2(2 单电源反相输入式交流放大电路图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。
电源V cc通过R1和R 2分压，使运放同相输入端电位为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振;由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。
所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-?V+=+Vcc,2;C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。
放大电路的电压增益为放大电路的输入电阻Ri?R，放大电路的输出电阻R0=r0f?0。
运放单电源供电
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。
T
1.00
500.00m
Input
Output
Axis label
0.00
-500.00m
-1.00 0.00
5.00m
10.00m
15.00m
20.00m
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。
Output
3.00
Axis label
2.00
1.00
Input
0.00
根据上图和叠加定理，我们得到：
-1.00 0.00
10.00m
20.00m
30.00m
40.00m
50.00m
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。
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。
直流耦合单电源运放设计技术
直流耦合单电源运放设计技术【摘要】单电源运算放大器非常适合在低压、低功耗的便携式电子设备中使用，特别是电池供电的系统。
但是由于单电源供电运放的输出只能是有一定限制的正电压，所以必须在输入电路上加适当的偏置，以使输入信号放大或衰减后被“偏移”到输出允许的正电压范围内，这给单电源运放电路设计带来一定的复杂性，本文通过单电源运放电路传输特性分析，将放大器归纳成六种不同的类型，并给出了每种类型的通用电路和设计方法。
具有较好的规范性和通用型。
【关键词】单电源供电；直流耦合；运算放大器1.引言大多数运算放大器要求双电源供电，即用两个端电压大小相等、极性相反的电源分别与运算放大器的+VCC端子和-VEE端子相连，而公共端接地。
运算放大器本身没有接地端子，任何接地的输入信号源也就自动以+VCC和-VEE之间的中点电压（地电位）为参考点，所以输出电压也自动以地电位为参考点。
单电源供电则不同，电源的正负端分别与+VCC和-VEE相接，-VEE同时作为输入输出的接地点。
单电源和双电源供电最大的不同是输出的动态范围，双电源供电的输出电压不可能低于-VEE，也不可能高于+VCC，因此输出动态范围是接近但小于从-VEE到+VCC的一个正负区间；而单电源供电的输出动态范围是接近但小于0V到+VCC的一个正值区间。
单电源运放设计技术的复杂性，就在于除了要考虑输入输出之间的传输特性，如的同相、反相以及增益外，还要根据输入信号的变化范围设计适当的偏置电路，让输出信号的变化始终处在低于电源电压VCC的正值范围以内。
要解决这个问题有时采用交流耦合可能会简单一些，但这会使带宽变窄，对于某些输出信号变化非常缓慢的传感器来说不适用。
因此本文只讨论直流耦合单电源运放的设计技术。
实际上，因为运算放大器本身没有接地管脚，无论双电源供电的普通运放还是特意指明的单电源运放，只要+VCC和-VEE之间不超过最大额定电压，都可以双电源供电或单电源供电，但普通运放采用单电源供电做不到0V输入、0V 输出，应用有一定的局限性。