单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计
运放单电源放大电路设计方法_刘立钧
虑以下几个参数：
开环增益 Ao 在给定的运算精度如 0.1%条件下
应满足1/(AO ⋅ F) ≤0.1%，其中 F 为反馈系数，如图
1、图 2 所示电路 F
=
R1 R1 + R f
。若闭环增益 A f 近
似 100，即 R f R1
= 100 ，则 AO >105。
带宽 BW 对小信号而言，运放闭环带宽与闭环
为 20kHz。
f L1
=
1 2πR1C1
fL2
=
1 2πRLC2
fL3
=
2πR2
1 //
R3C3
Vin C1 R1 1kΩ +
+Vcc R2 100kΩ +
C3
Rf 50kΩ +Vcc
－∞
+ +
uA741
100kΩ R3
C2 +
Vout RL
图 1 反相输入放大器
高速运放一般采用电流反馈式，为了不使大阻
运放输出端直流电位接近 Vcc 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（Vcc/2-1.5V），否则会产生削峰失真。若要扩大
输出电压峰值可采用轨对轨运放。在直流放大器中
运放输出端的静态电压误差可用
∆VO
=
(1 +
Rf R1
)VOS
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出端静态电压不能为 0， 必须大于输出交流信号幅值，一般取电源电压 Vcc 值的一半。图 1 中 R2R3 为静态偏置电阻，这样运 放的输入输出端的静态电压 Vcc2。为减小由于输入 偏流产生的失调误差应使 Rf =R2//R3，一般来说 R2、 R3 的阻值在 Vcc 为 12V~15V 时取 100kΩ；Vcc 为 5V
运放偏置电路解析
运放偏置电路解析
运放偏置电路是一种常用的电路配置，用于将输入信号与一个固定的直流电压参考值进行比较和运算。
运放（Operational Amplifier，简称Op Amp）作为一个差分放大器，能够放大并
比较两个输入信号的差异。
运放偏置电路通常包括一个运放，以及用于提供偏置电压的电阻网络。
偏置电压是为了使运放处于正常工作状态而加入的电压，它可以使运放的输出电压对称分布在供电电压的中间，从而提供更大的工作范围。
具体的运放偏置电路的设计可以根据需求进行调整，以下是一种常见的运放偏置电路解析：
1. 输入端电阻：为了保持电路对输入信号的高输入阻抗，通常会在运放的非反相输入端（+端）和反相输入端（-端）之间接入一个输入电阻。
2. 反馈电阻和电容：为了将输出信号反馈给运放的负输入端，通常会在输出端与负输入端之间加入一个电阻，以控制运放的放大倍数。
在某些情况下，还可以加入一个电容来实现频率响应的调节。
3. 偏置电压电阻网络：为了提供偏置电压，可以在运放的非反相输入端与地之间接入一个电阻，同时在该电阻与地之间接入两个相等的电阻，形成一个电压分压网络。
通过这个电阻网络，可以将供电电压的中点作为偏置电压提供给运放的反相输入端。
4. 耦合电容：为了隔离输入信号的交流分量和直流分量，通常会在输入信号源与运放的输入端之间接入一个耦合电容。
通过这些电路组成的运放偏置电路，可以实现输入信号的放大和运算，同时保持运放工作在正常的工作范围内。
具体的电路参数和设计可以根据需要进行调整和优化，以满足不同应用的需求。
5分钟帮您纠正错误的去耦方法！
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在放大器电路设计中，你一定被一些最常见的问题给“坑”过，例如——没能用正确的方法对单电源运算放大器电路进行去耦。
今天我们就讨论下这个问题，并给出单电源放大器电路的正确去耦方法。
单电源运算放大器电路要求对输入共模电平进行偏置以处理正负摆动的交流信号。
当采用电阻分压供电电源的方法来提供偏置时，必须进行足够的去耦处理，以维持电源抑制(PSR)不变。
常见但错误的方法
一种常见的，但是错误的做法是通过一个带有0.1 μF旁路电容的100 kΩ/100 kΩ分压电路来向运算放大器的同相端提供VS/2偏置。
如果使用这些值，电源去耦往往显得不足，因为其极点频率仅为32Hz。
正确方法推荐
当电路工作在不稳定的环境下，图1（同相放大）和图2（反相放大）给出了如何获得最佳效果的VS/2去耦偏置电路。
图1 单电源同相放大器电路的正确去耦方法
Midband Gain = 1 + R2/R1
图2 单电源反相放大器电路的正确去耦方法
Midband Gain = –R2/R1
两种情况下，偏置功能均由同相输入端提供，反馈使反相输入端获得相同的偏置，而单位直流增益则将输出偏置为同一电压。
耦合电容C1与BW3一致，滚降低频增益。
运放偏置电路设计
运放偏置电路设计运放偏置电路是一种常见的电路设计，它用于将输入信号偏置到运放的工作范围内，以保证运放正常工作。
本文将介绍运放偏置电路的基本原理和设计方法。
一、运放偏置电路的作用运放（运算放大器）是一种高增益、差分模式输入的电子放大器，广泛应用于信号放大、滤波、运算等电路中。
然而，运放的输入端一般需要在特定的电压范围内工作，如果输入信号超出这个范围，运放将无法正常工作。
因此，需要使用偏置电路将输入信号偏置到运放的工作范围内。
二、基本原理运放偏置电路的基本原理是通过电阻分压的方式将输入信号偏置。
常见的运放偏置电路有两种类型：基准电压偏置和负反馈偏置。
1. 基准电压偏置基准电压偏置是通过将一个已知电压作为基准来偏置输入信号。
常见的方法是使用电阻分压网络和稳压二极管。
电阻分压网络将基准电压分配给运放的非反相输入端，从而实现对输入信号的偏置。
稳压二极管用于提供稳定的基准电压。
2. 负反馈偏置负反馈偏置是通过将运放的输出信号反馈到输入端来偏置输入信号。
常见的方法是使用电阻和电容组成的电路。
电阻和电容的组合将一部分输出信号反馈到运放的非反相输入端，从而实现对输入信号的偏置。
三、设计方法1. 确定工作范围首先需要确定运放的工作范围，即运放的最小和最大输入电压。
根据实际应用需求，选择一个适当的工作范围。
2. 选择偏置电路类型根据具体应用需求，选择基准电压偏置或负反馈偏置。
基准电压偏置适用于需要稳定偏置电压的场合，而负反馈偏置适用于需要较高精度的场合。
3. 计算电阻和电容值根据运放的输入电阻、输出电阻和增益等参数，结合输入信号的幅度和频率，计算所需的电阻和电容值。
4. 选择元件选择合适的电阻和电容元件，并进行实际电路的布局和连接。
5. 仿真和调试使用电路仿真软件对设计的偏置电路进行仿真，并根据仿真结果进行调试和优化。
四、常见问题及解决方法1. 偏置电路对信号的幅度和频率有一定的限制，如果输入信号超出这个范围，偏置电路将无法正常工作。
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。
运放偏置电路
运放偏置电路一、引言运放偏置电路是一种将运放正常工作区间向正或负偏移的电路，在实际应用中被广泛使用。
这种电路在各种电路设计中都有所涉及，如信号放大器、滤波器、振荡器、比较器等，均需要用到运放偏置电路。
本文将从运放偏置电路的原理、分类、设计和应用等方面进行详细介绍。
二、原理运放偏置电路的原理是通过在运放的非反馈输入端引入适当的偏置电压，将运放的输出电压升高或降低一定的电位，使得运放正常工作区间向正或负偏移。
这样可以使得运放的输出电压在整个工作过程中都能够处于良好的放大状态。
三、分类根据运放偏置电路的性质和应用场景，可以将它们分为以下几类：（1）基准电压源偏置电路这种电路将运放的非反馈输入端连接到一个基准电压源上，以将输出电压向正或负偏移。
基准电压源可以是一个稳定的电源，也可以是一个用二极管、稳压器等元器件搭建的电路。
基准电压源偏置电路的优点是电路简单可靠，但缺点是基准电压源的精度和稳定性较难保证。
（3）晶体管偏置电路四、设计设计运放偏置电路需要考虑以下几个方面：偏置电压的大小和方向是影响运放输出电压的重要因素。
偏置电压的大小应根据运放的本征偏移电压和工作电压范围来确定。
通常情况下，偏置电压大小应在运放本征偏移电压的2~3倍之间，以确保在整个工作温度和电源电压范围内输出电压稳定可靠。
（2）电路的稳定性和精度电路的稳定性和精度是影响电路性能和工作可靠性的重要因素。
电路越稳定、精度越高，输出电压的稳定性和精度也越高。
因此，在设计电路时应尽量保证电路的稳定性和精度，可采用电源稳压电路、温度补偿电路、工艺优化等方法来提高电路的稳定性和精度。
（3）电路的抗干扰能力电路的抗干扰能力是电路能否在实际工作环境中正常稳定工作的关键。
在设计电路时应注意电路对外界干扰的抵抗能力，可采用屏蔽、滤波、阻抗匹配等方法来提高电路的抗干扰能力。
五、应用运放偏置电路广泛应用于各种电路中，如下面所示：（1）信号处理电路中的微小信号放大器、滤波器、比较器等。
单电源放大电路的直流偏置若干问题
单电源放大电路的直流偏置若干问题运算放大器的理想模型有：1、输出电压的饱和极限值等于运放的电源电压。
2、运放的开环电压增益很高。
3、若输出电压未达到饱和极限，则差分输入电压必趋近于0值。
4、输入电阻近似为无穷大。
5、输出电阻近似为0。
由以上结论推知，当运算放大器处于上图状态时，输出电压的饱和极限值就是0V、12V。
而输入信号为正弦电压信号时，是以0V为基准电压波动的，由于极限值的限制使得正弦波的小于0V的半波形无法得到放大，所以为了解决这个问题，我们就需要给输入加上一个直流偏置，即下图中的R1、R2。
R1、R2的加入使得输入电压有了一个直流的偏置电压，使得输入信号放大后的输出信号不失真的动态范围变得更大，最好情况是取输入的直流偏置为电源电压的一半时，动态范围最大，即6V 。
但是细心的同学就会发现，如果依照上图来计算直流电压的话，输入为2126I CC R V V V R R ==+ 由运算放大器的特性可知，负相端同样为6V ，那么0Vo Vn Vn Rf Rn--= 得到66Vo V =这个结果显然是无法实现的，Vo 将会受限而等于电源电压，因此这会造成输出电压信号波形的失真，为了保证输出电压的信号的放大，同时保证输出直流偏置取得较为合适，也就是说，为了使输出端只放大输入的电压信号，而不放大直流偏置电压，于是在运算放大器的负相端加一个电容，得下图。
画上图的直流通路得由于同相放大器的虚短虚断可以得到=Vp Vn=In V由于Rf上没有电流，所以没有压降，所以Vo Vi=对直流偏置电压而言相当于一个电压跟随器，而交流电压信号通过了电容，得到了放大，至于输出串联的电容则是为了消除负载对静态工作点的影响。
初稿：刘彪定稿：周迎新2013/11/28。
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.。
3.4 放大器的偏置电路
[例3.4.1]在图3.4.2具有分压式稳定工作点偏置电路的 放大器中，Rb1=30kΩ、Rb2=10kΩ、Rc=2kΩ、Re=1kΩ、 VG=9V，试估算ICQ和VCEQ。
解
估算时可认为VBQ是基极开路时的电压值。
图3.4.2 分压式稳定工作点偏置电路
R b2 R b1 R b2 9 10 30 10 V 2 . 25 V
V BQ V G
V EQ V BQ V BEQ 2 . 25 0 . 7 1 . 55 V I CQ I EQ V EQ Re 1 . 55 mA
V CEQ V G I CQ R c I EQ R e V G I CQ ( R c R e ) 9 1 . 55 (1 2 ) 4 . 35 V
V BQ
R上升时，引起I CQ 增加，导致的I EQ 增加，
使
V EQ I EQ R e
增大。由于
V BEQ V BQ V EQ
，使得 V BEQ 减
的增加受到
小，于是基极偏流
I BQ 减小，使集电极电流 I CQ
限制，从而达到稳定静态工作点的目的。 稳定工作点的过程简述如下：
I 只要V G 和 R b 为定值，BQ 就是一个常数，故把这种电路 称为固定偏置电路。 该电路由于 I CQ I BQ I CEQ
因此，当环境温度升高时，虽 然 I BQ 为常数，但 和 I CEQ 的增大 会导致I CQ 的上升。可见，电路的 温度稳定性较差。只能用在环境温 度变化不大，要求不高的场合。
图3.4.1固定偏置电路
3.4.2 分压式稳定工作点偏置电路 电 路 特 点 是 静 态 工 作 点 比 较 稳定。
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）。
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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。
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