单电源供电集成运算放大器的电路及其应用.doc

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?单电源供电集成运算放大器的电路及其应用文章包括以下四个部分一、单电源运放应用:基础知识二、单电源运放应用:基本电路三、单电源运算放大器电路应用:滤波四、单电源运算放大器的偏置与去耦电路设计  大多数集成运算放大器电略部采用正、负对称的双电源供电,在只有一组电源的情况下,集成运算放大器也能正常工作。图1所示为两种采用单电源供电的供电电路! 〔捎玫サ缭炊约烧馑惴糯笃鞴┑绲某S梅椒ㄊ,把集成运算放大器两输入端电位抬高(且通常抬高至电源电压的一半,即 E+/2),抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位,因此在静态工作时,输出端的电位也将等于两输入端的静态电位,即E+/2! ⊥贾,集成运算放大器两输入端抬高的电压由R4、R5对电源分压后产生,约等于 E+/2;C2为滤波电容;C1和C3分别为输入、输出隔直电容。为了减小输入失调电流的影响,图1(a)中R1应等于R2与R4的并联值,图1(b)中R1应等于R2与R3的并联值! ⊥1(a)为反相输入方式,电路的交流放大倍数为R4/R3=100倍;图1(b)为同相输入方式,电路的交流放大倍数为R3/R2=10倍。单电源运放应用图集(一):基础知识我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集,但是这些应用都建立在双电源的基础上,很多时候,电路的设计者必须用单电源供电,但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。 在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心,设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1.1 电源供电和单电源供电 所有的运算放大器都有两个电源引脚,一般在资料中,它们的标识是VCC+和VCC-,但是有些时候它们的标识是VCC+和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是,这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候,需要参考运放的数据手册,特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。 绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器,比如图一左边的那个电路,一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V,正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的,还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。 单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC+,地或者VCC-引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上,这时运放的输出电压也是该虚地电压,运放的输出电压以虚地为中心,摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压,但在大部分应用中,输入和输出是参考电源地的,所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容,用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节) 图一通常单电源供电的电压一般是5V,这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail-To-Rail 的运放,这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail-To-Rail 的电压。虽然器件被指明是轨至轨(Rail-To-Rail)的,如果运放的输出或者输入不支持轨至轨,接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化,所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。这样才能保证系统的功能不会退化,这是设计者的义务。 1. 2 虚地 单电源工作的运放需要外部提供一个虚地,通常情况下,这个电压是VCC/2,图二的电路可以用来产生VCC/2的电压,但是他会降低系统的低频特性。 图二R1 和R2 是等值的,通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择,电容C1 是一个低通滤波器,用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。 在下文中,有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生,但是其实这并不是完美的方法。在这些例子中,电阻值都大于100K,当这种情况发生时,电路图中均有注明。 1. 3 交流耦合 虚地是大于电源地的直流电平,这是一个小的、局部的地电平,这样就产生了一个电势问题:输入和输出电压一般都是参考电源地的,如果直接将信号源的输出接到运放的输入端,这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情,运放将不能正确的响应输入电压,因为这将使信号超出运放允许的输入或者输出范围。 解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法,输入和输出器件就都可以参考系统地,并且运放电路可以参考虚地。当不止一个运放被使用时,如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用: 第一级运放的参考地是虚地 第二级运放的参考第也是虚地 这两级运放的每一级都没有增益。任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益,并且可能使得电路超出它的正常工作电压范围。 如果有任何疑问,装配一台有耦合电容的原型,然后每次取走其中的一个,观察电工作是否正常。除非输入和输出都是参考虚地的,否则这里就必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入以及运放输出和负载。一个好的解决办法是断开输入和输出,然后在所有运放的两个输入脚和运放的输出脚上检查直流电压。所有的电压都必须非常接近虚地的电压,如果不是,前级的输出就就必须要用电容做隔离。(或者电路有问题) 1. 4 组合运放电路 在一些应用中,组合运放可以用来节省成本和板上的空间,但是不可避免的引起相互之间的耦合,可以影响到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。设计者通常从独立的功能原型开始设计,比如放大、直流偏置、滤波等等。在对每个单元模块进行校验后将他们联合起来。除非特别说明,否则本文中的所有滤波器单元的增益都是1。 1. 5 选择电阻和电容的值 每一个刚开始做模拟设计的人都想知道如何选择元件的参数。电阻是应该用1 欧的还是应该用1 兆欧的?一般的来说普通的应用中阻值在K 欧级到100K 欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在100 欧级到1K 欧级,但他们会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1 兆级到10 兆欧级,但是他们将增大系统的噪声。用来选择调整电路参数的电阻电容值的基本方程在每张图中都已经给出。如果做滤波器,电阻的精度要选择1% E -96系列(参看附录A)。一但电阻值的数量级确定了,选择标准的E-12系列电容。 用E-24系列电容用来做参数的调整,但是应该尽量不用。用来做电路参数调整的电容不应该用5%的,应该用1%。 单电源运放应用图集(二):基本电路2.1 放大 放大电路有两个基本类型:同相放大器和反相放大器。他们的交流耦合版本如图三所示。对于交流电路,反向的意思是相角被移动180度。这种电路采用了耦合电容――Cin 。Cin被用来阻止电路产生直流放大,这样电路就只会对交流产生放大作用。如果在直流。省略部分。的不重叠部分。这里没有介绍反相 Chebyshev 和 Elliptic 滤波器,因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen-Key 滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围,请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用,其结果都是可以接受的。3.2.1 Sallen-Key滤波器Sallen-Key 滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低,仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成Butterworth 或Chebyshev 滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【1】和参考条目【2】,那里介绍了各种拓扑的细节。这个电路是一个单位增益的电路,改变Sallen-Key 滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen-Key 滤波器就是增益为1的Butterworth 滤波器。3.2.2 多反馈滤波器多反馈滤波器是一种通用,低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是,设计时的计算有些复杂,在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需要的是一个单位增益的Butterworth 滤波器,那么这里的电路就可以给出一个近似的结果。3.2.3 双T滤波器双T 滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的,但幸运的是这仍是一个常容易的过程,这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3 和C3 计算出来。应该尽量选用同一批的元件,他们有非常相近的特性。3.2.3.1 单运放实现如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器,就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E-96 1%系列中选择,这样就可以破坏振荡条件。3.2.3.2 双运放实现典型的双运放如图20到图22所示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。 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。 表2:电路图3和4的一些齐纳二极管与Rz电阻值的关系在有些运算放大器中输入偏置电流比较大是需要考虑的,由于放大器偏置电流的影响,偏置分压电路的分压点将偏离Vs/2,影响了放大器的静态工作点。为了使放大器的静态工作点尽量靠近Vs/2,需要增加平衡电阻,见电路图2。在这个电路中运算放大器选用的是SGM8541,该放大器的输入偏置电流在常温下只有1-2个皮安,几乎为零,因此可以不考虑输入偏置电流带来的误差。但如果工作在非常宽的温度范围(-20℃-80℃),在放大器的正负输入端加平衡电阻能很好地阻止输入带来的误差。 图3:齐纳二级管偏置电路。设计单电源运算放大器电路,需要考虑输入偏置电流误差、电源抑制、增益、以及输入与输出线路带宽等等。然而普通的应用设计是可以通过查表来获得,见表1。在单电源电压为15V或12V时偏置分压的两个电阻通常选用100kΩ,这样可以在电源消耗与输入偏置电流误差之间合理的折中。5V单电源偏置分压电阻减小到一个比较低的值,例如42kΩ;褂行┰3.3V应用中偏置分压电阻选在27kΩ左右。 齐纳二级管偏置电路 表3:电路参数及期间参数选择。虽然电阻偏置电路技术成本很低,并且始终能保持运放输出控制在Vs/2,但运放的共模抑制能力完全依靠RA/RB与C2构成的RC时间常数。通过使用C2可以提高至少10倍的RC(RC通过R1/C1与RIN/CIN的网路构成)时间常数,这将有助于提高共模抑制比。RA与RB在使用100kΩ,并且电路带宽没有降低的时候,C2可以保持相当小的容量。也可以采用其它的方法在单电源中提供偏置电压,并且有很好的电源抑制与共模抑制。比如在偏置电路中可以使用一个齐纳二极管调整偏置电压,提供静态工作点。 图4:利用相同的齐纳二极管的反相放大器电路的偏置方法。在图3中,电流通过电阻RZ流到齐纳二极管,形成偏置工作点。电容CN可以阻止齐纳二极管产生的噪声通过反馈进入运放。要想实现低噪声电路需要使用一个比10uF还大的CN,并且齐纳二极管应该选择一个工作电压在Vs/2。电阻RZ必须选择能够提供齐纳二极管工作在稳定的额定电压上和保持输出噪声电流比较低的水平上。因为运放的输入电流只有1pA左右,几乎接近零,所以为了减小输出噪声电流,低功耗的齐纳二极管是非常理想的选择。可以选择250mW的齐纳二极管,但为了考虑成本,选择500mW的齐纳二极管也是可以接受。齐纳二极管的工作电流会因制造商的不同有些差别,在应用中一般IZ在5mA(250mW)与5uA(500mW)之间比较好。 表4:电路参数及期间参数选择在齐纳二极管的工作极限范围之内,采用下面电路(图3、图4)将有比较好的电源抑制能力。但这个电路有一些缺陷,因为运放输出的静态工作点是齐纳二极管的电压而不是Vs/2。如果电源电压下降,大信号输出的波形将会失真(出现不对称的削顶波形),此时电路还要消耗更多的电能。电阻RIN与R2应该选择相同的电阻值,防止偏置电流引起更大的失调电压误差。
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