单电源运放交流放大器的设计
使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)教学教材
使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)使用单电源的运放交流放大电路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R2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。
2 运放交流放大电路的设计在设计单级运放交流放大电路时，(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。
运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题
单电源运放电路
单电源运放电路
单电源运放电路是一种常见的电路设计，常用于需要单电源供电的应用中。
与双电源运放电路相比，单电源运放电路只需一种电源电压，更加简单且经济。
本文将介绍单电源运放电路的基本原理和常见应用。
单电源运放电路的基本原理是通过一个供电电源，将运放的非反相输入端接地，反相输入端通过电阻和电容网络与电源相连，从而实现幅值放大和信号的运算。
在单电源运放电路中，由于电源电压范围的限制，输出信号的幅值可能受到一定的限制。
单电源运放电路的常见应用包括放大电路、滤波电路、积分电路和微分电路等。
在放大电路中，单电源运放电路可以将输入信号放大到更高的幅值，以满足特定应用的要求。
滤波电路利用单电源运放电路的特性，可以消除输入信号中的高频干扰，实现信号的滤波效果。
积分电路和微分电路则利用单电源运放电路对输入信号进行积分和微分运算，广泛应用于信号处理和控制系统中。
为了实现更好的性能，单电源运放电路通常需要采取一些措施来解决电源电压范围限制带来的问题。
例如，可以通过添加偏置电路来保证输出信号的偏置电压正确，以避免信号失真。
此外，还可以采用电源电压稳压器来提供稳定的电源电压，以保证电路的正常工作。
总之，单电源运放电路是一种简单且经济的电路设计，常用于单电源供电的应用中。
通过合理的设计和措施，可以实现信号的放大、滤波、积分和微分等功能，满足不同应用的要求。
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。
使用单电源的运放交流放大电路(含同相和反相输入式)
使用单电源的运放交流放大电路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。
2 运放交流放大电路的设计在设计单级运放交流放大电路时，(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。
单电源供电的交流放大运放电路
运放作为模拟电路的主要器件之一，在供电方式上有单电源和双电源两种，而选择何种供电方式,是初学者的困惑之处，本人也因此做了详细的实验，在此对这个问题作一些总结。
首先，运放分为单电源运放和双电源运放,在运放的datasheet上，如果电源电压写的是（＋3V—＋30V)/(±1。
5V-±15V）如324，则这个运放就是单电源运放，既能够单电源供电,也能够双电源供电；如果电源电压是（±1.5V-±15V)如741，则这个运放就是双电源运放，仅能采用双电源供电.但是，在实际应用中，这两种运放都能采用单电源、双电源的供电模式。
具体使用方式如下：1：在放大直流信号时,如果采用双电源运放，则最好选择正负双电源供电,否则输入信号幅度较小时，可能无法正常工作；如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作;2：在放大交流信号时,无论是单电源运放还是双电源运放,采用正负双电源供电都可以正常工作；3：在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，简单的采用单电源供电都无法正常工作，对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大,而双电源运放无法正常工作。
要采用单电源，就需要所谓的“偏置”。
而偏置的结果是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”。
具体电路如图：首先,采用耦合电容将运放电路和其他电路直流隔离，防止各部分直流电位的相互影响。
然后在输入点上加上Vcc/2的直流电压，分析一下各点的电位，Vcc是Vcc,in是Vcc/2,－Vcc是GND，然后把各点的电位减去Vcc/2，便成了Vcc是Vcc/2，in是0，－Vcc是－Vcc/2,相当于是“双电源”!！在正式的双电源供电中，输入端的电位相对于输入信号电压是0，动态电压是Vcc是＋Vcc,in是0＋Vin,－Vcc是-VCC,而偏置后的单电源供电是Vcc是＋Vcc,in是Vcc/2+Vin，－Vcc 是GND,相当于Vcc是Vcc/2，in是0+Vin，－Vcc是－Vcc/2，与双电源供电相同，只是电压范围只有双电源的一半，输出电压幅度相应会比较小。
单电源交流耦合同相放大器和反相放大器
单电源交流耦合同相放大器和反相放
大器
单电源交流耦合同相放大器和反相放大器是两种常见的放大器
电路设计，常用于需要单电源供电的电路中，例如便携式电子设备或需要节省成本的应用中。
它们在单电源环境下能够有效地放大交流信号。
同相放大器（in-phase amplifier）：同相放大器也被称为非反向放大器，它的输出信号与输入信号在相位上保持一致。
在单电源环境中，同相放大器通常使用交流耦合技术，即将输入信号通过一个电容耦合到放大器的输入端，以实现直流隔离并保持放大器的工作点稳定。
同相放大器的输出信号与输入信号的振幅成正比，可以用于放大交流信号。
反相放大器（out-of-phase amplifier）：反相放大器的输出信号与输入信号在相位上相反。
在单电源环境中，反相放大器通常使用交流耦合技术，同样也是通过一个电容将输入信号耦合到放大器的输入端。
反相放大器的增益是负的，即输出信号与输入信号的极性相反，但其振幅与输入信号的振幅成正比。
这种放大器通常用于需要反向放大或相位反转的应用。
在这两种放大器中，交流耦合技术是常用的技术，通过电容将输入信号和输出信号与直流分量隔离开来，以确保放大器的工作点稳定，并且使其适用于单电源供电环境。
这种技术能够在单电源环境下实现有效的交流放大。
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。
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＝1000／2πfoRl(μF)；C2＝1000／2πfoRL(μF)，式中，fo是所要求最低输入频率。
若R1、RL单位用kΩ，fO用Hz，则求得的C1、C2单位为μF。
一般来说，R2＝R3≈2RF。
图2是一种单电源加法运算放大器。
该电路输出电压Vo＝一RF(V1／Rl十V2／R2十V3／R3)，若R1＝R2＝R3＝RF，则Vo＝一(V1十V2十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10kΩ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kΩ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。
若输入电压为50Hz交流电压，V1＝1V，V2＝O．4V，它的输出电压该是多少呢？。
单电源运放电路
单电源运放电路一、概述单电源运放电路是指在电路中只有一个正电源，没有负电源的情况下使用的运放电路。
这种电路常见于便携式设备中，因为它可以减小设备体积和成本。
二、单电源运放的特点1. 只有一个正电源，没有负电源。
2. 输出信号不能超过正电源和地之间的范围。
3. 不能直接连接负载。
三、解决单电源运放的问题1. 偏置电压：由于单电源运放没有负电源，会导致输出信号出现偏置。
解决方法是添加偏置网络或使用带有输入偏置的运放。
2. 输出信号范围：由于输出信号不能超过正电源和地之间的范围，需要添加一个参考电压来限制输出范围。
3. 直接连接负载：由于单电源运放不能直接连接负载，需要添加一个耦合器来隔离直流偏置并提供交流通路。
四、常用的单电源运放配置1. 非反向比例放大器：将输入信号乘以一个系数并输出。
常用于音频处理和传感器接口等应用。
2. 反向比例放大器：将输入信号取反并乘以一个系数并输出。
常用于信号放大和电压调节等应用。
3. 滤波器：将输入信号通过一个滤波器并输出。
常用于音频处理和信号处理等应用。
五、单电源运放的优缺点1. 优点：（1）体积小，成本低。
（2）适合便携式设备。
（3）易于设计和实现。
2. 缺点：（1）输出范围受限制。
（2）偏置电压会影响精度。
（3）不能直接连接负载。
六、应用案例单电源运放常见于便携式设备中，如移动电话、MP3播放器等。
以移动电话为例，它需要使用单电源运放来处理音频信号并驱动扬声器。
在这种情况下，单电源运放可以减小设备体积和成本，并提供高品质的音频输出。
七、总结单电源运放是一种适合便携式设备的运放电路，它具有体积小、成本低等优点。
但是它也存在着输出范围受限制、偏置电压会影响精度等缺点。
在设计单电源运放电路时需要注意解决这些问题，并根据具体应用需求选择合适的电路配置。
电源运放组成的交流放大电路
单电源运放组成的交流放大电路实验目的：1，测量由单电源运放所组成的同（反）向放大电路的各项参数；2，通过实验，了解单电源运放的特点。
实验器材：数字信号发生器，示波器，电阻，数字万用表，电容，LM324运放实验电路分析：那同向放大来说，当单电源运放电路为图3时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化，负半轴无法正常放大。
所以将图设计为图1所示，加上了直流偏置，真正的输入就变成了Ui+0.5*Vcc,等效于加在了正负0.5*Vcc的双电源上，R1、R2之间的点相当于虚“地”，此时，输入的正负半轴均可以正常放大。
引入了直流偏置，所以在输入输出端均加上了隔直电容。
实验电路：实验内容1，同向放大电路：A,选择参数：R=2KΩ；R1=R2=RF=30KΩ;C=100uF;C1=C2=10uF;运放型号为LM324；B，按照图1连接电路，输入端接上信号发生器，再分别将输入与输出端信号输入；C，增益：输入1KHz,Vpp=100mV的正弦电压，Vcc输入5V，观察到示波器上显示的波形没有失真，用示波器测量出两通道的峰峰值V1=98.4mV，V2=1.66V；D，幅频特性：输入峰峰值不变，改变输入信号的频率，并记下每个频率所对应的输出电压的峰峰值与表1；E，输入电阻：在输入端接入一个1K 的电阻，输入vi=18.24mV 的正弦波，用万用表分别测量放大电路两端电压v=17.68mv;F，输入范围，输出摆幅：在频率等于1KHz时，改变输入电压的幅值，观察并记录输出信号的波形及输出未失真的输出范围。
2，反向放大电路A,选择参数：RF =100KΩ；R1=R2=R=10KΩ;C=100uF;C1=C2=10uF;运放型号为LM324；B，按照图2连接电路，输入端接上信号发生器，再分别将输入与输出端信号输入；C，增益：输入1KHz,Vpp=20mV的正弦电压，Vcc输入5V，观察到示波器上显示的波形没有失真，用示波器测量出两通道的峰峰值V11=20.6mV，V12=210mV；D，幅频特性：输入峰峰值不变，改变输入信号的频率，并记下每个频率所对应的输出电压的峰峰值与表2；E，输入电阻：在输入端接入一个10K 的电阻，输入vi=40mV的正弦波，用万用表分别测量放大电路两端电压v=20.43mv;F，输入范围，输出摆幅：在频率等于1KHz时，改变输入电压的幅值，观察并记录输出信号的波形及输出未失真的输出范围。
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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；A
v
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R
4/R
3
.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K
R .再选定R
1
、
R
2
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，R
3
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V
i ＞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.。