本帖最后由 nenglee 于 2017-4-26 10:06 编辑
从零**放—04 单电源运放的设计 为什么我们在实际设计中会选择单电源系统呢？因为很多时候我们的产品都是电池供电，或者说只有单电源电压（只有正电压过来），这个时候如果说我们在设计成双电源供电的话，那不可避免的需要输出负电压出来，而负电压的设计比较麻烦，尤其是电池系统。
1、单电源的优缺点
1.1、单电源系统的优点 系统单电源供电，电源容易设计，电源系统直接一个LDO就可以设计出工作电源。 有很多低电压工作的轨对轨运放型号，便于选型
1.2、单电源系统的“缺点” 处理交流信号需要“虚地”，抬升参考点，让我的信号以参考点为主，也就是在VCC和0之间的一个地方把交流信号叠加在偏置上，系统低频特性变差。还有就是处理是交流信号，电池供电电压不高，比如锂电3.7伏或者4.2伏或者系统可以升高到5V，比如我们常见的蓝牙小音响，蓝牙小音响的功放也就是工作在5V，用锂电升个5V出来，5V如果给运放供电的话，因为处理的是交流信号那它的动态范围很小，音频信号的VPP值只能是到5V，一般我们把参考点选择在2.5V，也就是说我的动态范围是2.5V(交流信号是对称)。 不外加调零电路的话无法输出“0” 直流信号只能用同相输入放大电路 动态范围小，一般电池系统要选择轨对轨输入或者轨对轨输出运放，因为这类运放输出动态范围会大一些，非轨对轨运放之前也说过，一般5V的话是到4V，差一点的话是到3.5V；那么输出的话也一样，大概距离电源轨会有1.5V的差，如果选择这种非轨对轨的输出的动态范围会更小。
2、双电源的优缺点 2.1、双电源系统优点，不分交直流信号 信号以GND为参考点，容易设计，系统设计估计会很少 可以输出“0” 2.2、双电源系统的“缺点” 产生负压可选方案不多，成本高，一般产品都是正电压过来。需要个电源模块才能产生负压，并且不可靠，还要做滤波处理，还要做负压LDO，成本也不小，比较复杂。 电源模块产生 电荷泵产生，需要做滤波，用一个磁珠和两个对地电容组成一个π型滤波，用这种方式呢，输出的负电压会尽可能的干净些。但是因为电荷泵的驱动能力（负载能力）不够强，一般来说也就是100-200mA，并且在200mA左右的时候它的压降就比较大了。比如说产生的负5伏，规格标称它的最大输出是200mA的，那就可能说你在拉200mA的时候，实际上负5伏已经被拉到了负4伏，电压变化还是蛮大的，市场上的运放就是这样的包括TI,美信的电荷泵。所以不能指望电荷泵能够产生一个多强的驱动能力。
3、输入电压范围 实际上我们若选择了规格标称是双电源的运放，我们也可以设置为单电源工作的，只是要注意它的输入电压范围和输出电压范围。 首先要注意它的输入电压范围，就是距离负电源轨的差值。如上图规格书中标称的，最小值距离负电源轨有3.5伏的差异。 那么改成单电源之后，不管我是30伏还是单5伏的供电，那么我的输入电压范围一定要从3.5伏开始了，也就是信号低于3.5伏它是不识别的，这一点一定要注意，就是我的输入电压一定要在IVR范围内（输入电压范围），它距离负电源轨的差值一定要小心，一定要看好规格书它给出来的是多少。这也就限制了它使用的场合。所以说有些双电源的运放还不如使用单电源供电。如下图 4、输出动态范围 那么输出动态也是一样的，规格书上可以看出它的输出距离电源轨也有一定的差值，如下图。但是有些运放是轨对轨输入输出的，输出动态范围和输入动态范围都到电源轨的话就不存在这个差值了，那就可以很方便的给它用于单电源供电。 所以说运放用于单电源供电的时候，我们唯一要注意的就是它的输入动态范围和输出动态范围。从上边四张图我们可以很方便的看出来，对于他们的“地点”应该注意哪些事项。
5、单电源LDO供电 单电源供电系统用LDO给OPA供电 LM78xx PSRR性能不佳，最好要高输入耐压的LDO
那么在单电源运放系统里我们就建议使用LDO供电了，传统上我们用到的LM7805、LM7809、LM7812这些，这个器件虽然说很古老，也用的很广，但是它的电源纹波抑制比性能不好。他只有20-30个dB的PSRR值，尤其它的频率高一点，它的PSRR降的就很厉害。那么这个器件不到万不得已，成本没有达到那么极致的要求的话，最好不要用。因为这种高输入耐压的LDO比较普遍，像TI、和泰、盛邦威都有这种高输入耐压的LDO。在LDO设计当中我们会推荐下边的电路，如图： 毕竟电容很便宜，输入输出还有BP脚一定要接个电容，尤其是BP脚，它可以提高几个dB的PSRRR值，而且这几个电容一定要尽量靠近我们的管脚，电容放远了实际上是没有作用的。
6、“虚地”设计 另外一个单电源供电比较重要的一点——虚地。 主要是针对交流信号，要用“虚地”来抬升参考点，通常取VCC/2（用这个位置的好处就是使的动态范围尽量的大，因为我们的交流信号是对称的吗，我们选择一半的话它的正半部分和负半部分的动态范围都可以大一点，当然这个是针对轨对轨输入轨对轨输出的运放。如果是非轨对轨输入非轨对轨输出的就不能选在VCC/2了，如果选择VCC/2的话它的正半周动态范围就会小很多，比如说我们常见的LM358，它的输入和输出都只是VCC-1.5，比如我5伏供电，输出只能是0-3.5伏，输入也是0-3.5伏，这时如果设置在VCC/2的偏置电压，那就是2.5伏，2.5-3.5它的范围只有1伏，而负半周就是0-2.5，这个正半周和负半周明显不一样了，而交流信号又是对称的，所以你的交流信号动态范围就受限于正半周，只有1伏的动态范围，也就是你交流信号的VPP值只有2伏，这是很不划算的一个设计了，那么这是我们可以根据运放的特性来设置合适的虚地；比如说，我们知道LM358芯片输出动态范围就在3.5，那我就可以设置在1.7伏的偏置电压，也就是说的虚地设置在1.7伏，两个分压电阻（图中的R）就可以合理的进行搭配一下，使VOUT端产生1.7伏的偏置电压，这时候就可以尽量的利用运放输出的动态范围了。），当然也可以根据运放输出特性取其它值。也就是我的交流信号，原来是0为参考，那么通过虚地我们把它抬升到我们知道的值为参考。 同时我们可以看着，这个电路与我们之前看到的低通一阶滤波电路很相近，输入端的电阻和电容形成了一个RC低通滤波，也就是用运放组成的有源低通滤波。电阻这里我们不可能设置的太大，VCC经过R分压电阻流下来的电流要能远远大于IB（大部分运放的IB都在pA级，当然也有nA级的）所需要的电流，也就是让它们处于不同的数量级，并且是相差越大，误差就越小，也就是对分压电阻的影响就越小。而电容我们可以适当的设置的大一点，因为转折频率点不是1/2πRC，如果电阻按照100K—510k来计算就可以了，比如说电阻我们取510K来算那么电容就可以选择更大一点，因为电容选择更大一点才能使转折频率点更小，我们的目的是得出来一个干净的虚地（干净的偏置电压点），让它尽可能干净让交流信号叠加上去，所以我们这里的电容通常选用到10uF，当然也可以选更大的22uF，再大的话体积有一点麻烦，像10uF的0603就可以了。 7、单电源基本运放电路 那么下面我们来看下单电源工作下的运放电路。这里把它们分为直流信号放大电路和交流信号放大电路，因为在单电源工作下（我们刚才提到的虚地，它主要是针对交流信号的），如果是直流信号再增加虚地的话，后期采集电路会很麻烦。 7.1、单电源直流信号放大电路 说明 单电源供电指的是12伏以内的系统。 概念： 饱和：输出大于了电源轨（供电电压） 运放输出不可能超出电源轨的，即便某些运放里做了电荷泵，一般电荷泵都产生负压，而不会产生高于自身的电压，在运放内部做电荷泵升压的还没有见到过；只有在运放内部利用电荷泵产生负压的运放，也就是你这运放单电源供电，那么使运放工作于双电源下，这个时候它的输出还是不可能超过它的供电电压，也就是说它可以输出负压，负压可以达到它的VCC。
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