單電源運放的設計

1單電源運放設計面臨的問題單電源的傳輸不僅隨著移動設備的數量而擴展，而且由于有助于簡化和提高系統的設備可靠性，因此受到了越來越多的關注。但是單電源運放設計時需要考慮一些復雜的問題,在這些復雜問題中尤以單電源運放的偏置問題最為關鍵。目前少有文獻對此詳細論述,因此本文詳細分析了單電源運放的偏置原因并介紹了常用偏置方法。2動態響應特性單電源運放按照輸出擺幅分為2類:一類是以LM358,LM324等為代表的傳統單電源運放。他們的共同特點是輸出幅值不能擺動到電源電壓的上下限,因此限制了輸出電路的動態響應范圍;另一類是以TLV2472等為代表的rail-to-rail(軌對軌)單電源運放,他們的優點是輸出幅值可以擺動到電源電壓的上、下限,因而具有理想運放的特性。本文只討論最普通的LM358運放,但討論的結果同樣實用于性能優越的rail-to-rail單電源運放。單電源運放不僅可以單電源供電,而且也可以雙電源供電。如果采用雙電源供電,單電源運放就失去了他的優勢,從而與普通的雙電源運放在使用上沒有太大的區別。因此本文只討論單電源運放的單電源供電工作方式。3基于lm338的內部電路通用單電源運放的內部電路原理圖基本相同,這里以LM358作為對象進行分析。LM358的內部電路原理圖如圖1所示。分析時按照偏置電路、差分輸入級、中間放大級、推挽輸出級4個部分逐一分析。3.1等效電流源替代電路在TI公司LM358的數據手冊中,運放內部的偏置電路已經全部用等效電流源替代。這些電流源分別為整個電路提供合適的靜態工作點,或作為有源負載。3.2發射結政策輸入級是雙端輸入單端輸出的差分放大電路。其中Q1和Q4為縱向PNP管放大倍數大,Q2與Q3為橫向PNP管,發射結承壓高。電路采用的是共集-共射形式,因此輸入級有較強的放大能力、較高的耐壓能力和較高的輸入電阻。3.3中間放大級的特性中間放大級也采用的是共集-共射放大電路。Q10,Q11組成兩級共射跟隨器,使中間放大級具有很大的輸入電阻,從而進一步提高了輸入級的放大倍數。Q10,Q11雖然不能放大電壓,但是具有很大的電流放大倍數,可以為Q12提供更大的基極電流,同時100μA的電流源也作為Q12的有源負載使中間級有很大的放大能力。3.4兩級射級跟蹤電路輸出級分為2種情況。當雙電源供電時由Q5,Q6,Q13組成互補輸出級但是存在交越失真。當單電源供電時Q5,Q6組成兩級射級跟隨電路,使輸出級具有很低的輸出電阻。此時Q12的集電極電位:UC12=UBE5+UBE6+URSC+UOUC12=UBE5+UBE6+URSC+UΟ輸出端的電位UO是Q13的發射級電位,所以Q13的發射結反偏截止。4偏置電壓的放大電路分析從上述LM358內部電路分析可知,單電源供電時運放只能放大對地電壓為正(信號同相端輸入)或為負(信號反向端輸入)的直流信號。如果輸入信號對地為交流時,負半波(信號同相端輸入)或正半波(信號反向端輸入)因為Q13的發射結反偏截止而無法放大,使輸出波形嚴重失真。因此為了獲得不失真的交流放大波形,需通過給輸入信號疊加對地VCC/2的偏置電壓,而得到對地電壓大于零的直流信號。選取VCC/2作為偏置電壓的目的是為了獲得最大的輸出動態響應范圍。但是如果運放的一個輸入端輸入對地偏置VCC/2的信號,另一個輸入端接地,就可以得到如圖2所示的(a),(b)兩種情況。由圖2(a)可得輸出電壓表達式:VO=?RfR1(VCC2+VS)VΟ=-RfR1(VCC2+VS)由該式可知輸出電壓應該是負值,但是由于單電源運放的輸出下限飽和值接近0V,而不可能輸出負電壓。因此運放的輸出電壓也接近0V,輸出波形嚴重失真。由圖2(b)可得輸出電壓表達式:VO=(1+RfR1)(VCC2+VS)VΟ=(1+RfR1)(VCC2+VS)同樣由該式可知,在有效信號放大的同時偏置電壓VCC/2也被放大到輸出端。因為運放飽和輸出電壓的限制,使電壓放大倍數被限制在2倍的范圍。若超過這個范圍,輸出電壓飽和、被放大信號波形失真。因此有效信號無法獲得足夠的放大倍數。從上面的分析可以得出下面的結論:當輸入的交流信號對地疊加VCC/2偏置電壓后,就必須在運放的另一個輸入端也疊加VCC/2的偏置電壓。如圖3所示。由圖3(a),(b)可分別得到輸出電壓表達式:VO=VCC2?RfR1VSVO=VCC2+(1+RfR1)VSVΟ=VCC2-RfR1VSVΟ=VCC2+(1+RfR1)VS從上述的兩個表達式分析可得出,偏置電壓VCC/2沒有被放大,有效信號能獲得足夠的放大倍數,并且無論輸入信號是從同相端接入還是從反向端接入都可以獲得不失真的波形。但是此時輸出電壓包含VCC/2的直流分量,這可以通過在輸出端加隔直電容C濾除直流偏壓,進而得到只放大但不失真的輸出電壓信號。5單-電源連接的偏移方法5.1vcc/2偏置電壓源電阻分壓方法的電路原理圖如圖4(a)所示。這是一種最常用的偏置方法。他通過用2個100kΩ的電阻R1,R2組成分壓網絡,形成VCC/2的偏置電壓。該方法不僅簡單而且成本低。但是該偏置電壓源的輸出阻抗大(因為在電池供電的設備中對功耗要求非常嚴格,所以電阻不能太小),輸出電流IO的變化對偏置電壓精度的影響很大。因此電阻分壓法一般適用于偏置電壓精度要求不高的場合。5.2vcc/2偏置電壓的生產運放電壓跟隨器法的電路原理圖如圖4(b)所示。圖中VCC被R1,R2分壓后接到由單電源運放組成的電壓跟隨器,進而形成VCC/2的偏置電壓源。運放組成的電壓跟隨器是電壓串聯負反饋,因此他具有很高的輸入阻抗與很低的輸出阻抗。這樣運放的輸出端可以看作一個VCC/2的恒壓源,輸出電流IO的變化對偏置電壓幾乎沒有影響,因此獲得精確的VCC/2偏置電壓。但是由于增加了一個單電源運放,這種方法的成本比較高。5.3射極電壓跟蹤器射級電壓跟隨器法的電路原理圖如圖4(c)所示。該方法與運放電壓跟隨器法相似,但是這里采用三極管Q1組成的射極電壓跟隨器作為電阻分壓的輸出級。射級電壓跟隨器同樣具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特性,因此該方法也可以避免電阻分壓法中輸出阻抗高的不足。并且由于只增加了1個三極管,所以成本也比運放電壓跟隨器法低。但是根據偏置電壓計算得到的電阻值經常需要結合實際電阻值選擇,因此偏置電壓存在誤差。5.4精密偏置電壓文獻中介紹了運用虛地發生器如TLE2425/2426等為單電源運放提供精密偏置電壓的方法。該方法雖能提供精確的偏置電壓,但是成本也比較高。6偏置電壓的傳