單電源運算放大器的原理及如何實現(xiàn)設(shè)計？

集成運算放大器的單電源供電電路原理采用單電源對集成這算放大器供電的常用方法是，把集成運算放大器兩輸入端電位抬高(且通常抬高至電源電壓的一半，即 E+/2)，抬高后的這個電位就相當于雙電源供電時的“地”電位，因此在靜態(tài)工作時，輸出端的電位也將等于兩輸入端的靜態(tài)電位，即E+/2。

大多數(shù)集成運算放大器電略部采用正、負對稱的雙電源供電，在只有一組電源的情況下，集成運算放大器也能正常工作。圖1所示為兩種采用單電源供電的供電電路。

圖中，集成運算放大器兩輸入端抬高的電壓由R4、R5對電源分壓后產(chǎn)生，約等于 E+/2;C2為濾波電容;C1和C3分別為輸入、輸出隔直電容。為了減小輸入失調(diào)電流的影響，圖1(a)中R1應(yīng)等于R2與R4的并聯(lián)值，圖1(b)中R1應(yīng)等于R2與R3的并聯(lián)值。

圖1(a)為反相輸入方式，電路的交流放大倍數(shù)為R4/R3=100倍;圖1(b)為同相輸入方式，電路的交流放大倍數(shù)為R3/R2=10倍。

運算放大器的供電存在兩種形式，單電源供電以及雙電源供電。在運放電源的設(shè)計中普遍采用雙電源供電的方式，例如儀表運算放大器INA129的供電電壓范圍根據(jù)芯片手冊可以得知為±2.25-±18V，同時其可以采取4.5-36V的單電源的供電方案。在真實的設(shè)計案例時，往往得到負電源是較為困難的，因此采用單電源供電的方式可以一定程度的減輕設(shè)計難度。

電勢差：

明確單電源設(shè)計的方法，首先需要明確一個物理學概念。電壓——即電勢差，是一個相對值，基于參考點得到的一個數(shù)值，通常我們常常取大地所處的電平作為零電勢點。我們觀察INA129的單雙電源供電范圍不難發(fā)現(xiàn)，單電源供電的本質(zhì)就是取值選取雙電源供電兩個供電引腳間的電勢差。換個說法，單電源供電就是在雙電源供電的基礎(chǔ)上將供電范圍抬升了1/2電勢差。

虛地：

當我們采用雙電源給INA129運算放大器供電的時候，給信號輸入端給定一個正弦信號，其輸出擺幅圍繞在0電勢點處，也就是通常所說的“地”附近。從前文我們可知單電源供電就是在雙電源供電的基礎(chǔ)上，整體抬升了1/2電勢差，因此我們可以認為當輸入一個正弦信號后，運放的輸出信號將在1/2電勢差處做正弦擺動。參考“地”電平這一概念，通?？梢詫⑦@個1/2電勢差叫做“虛地”。因此單電源供電的原理就是基于電勢差這一物理學概念，在具體的設(shè)計中我們只需要將原本的地電平換做“虛地”。

設(shè)計方法：

明確了單電源供電的原理，如何真正的將其應(yīng)用到實際電路中去。通常我們運算放大器的輸入信號是基于“地”電平給定的參考，在單電源的設(shè)計中我們的輸出信號將以“虛地”作為參考電平，因此在信號輸入運算放大器之前，需要將信號變換到“虛地”上去。在實際的設(shè)計中，針對輸入信號的不同，我們將這個信號變換過程分為“直流耦合”及“交流耦合”。

直流耦合：

在直流耦合中，我們知道耦合地可以簡單的認為將輸入信號做了一個電平抬升，因此在這里我們采取加法器的設(shè)計，通過加法器將直流信號抬升至“虛地”電平。

目前在許多手持設(shè)備、汽車以及計算機等設(shè)備只用單電源供電，但是單電源容易出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，因此需要在電路外圍增加輔助器件以提高穩(wěn)定性。在電路圖1中展示了單電源供電運算放大器的偏置方法，用電阻RA與電阻RB構(gòu)成分壓電路，并把正輸入端的電壓設(shè)置為Vs/2。輸入信號VIN是通過電容耦合到正輸入端。在該電路中有一些嚴重的局限性。 首先，電路的電源抑制幾乎沒有，電源電壓的任何變化都將直接通過兩個分壓電阻改變偏置電壓Vs/2，但電源抑制的能力是電路非常重要的特性。例如此電路的電源電壓1伏的變化，能引起偏置電路電壓的輸出Vs/2變化0.5伏。該電路的電源抑制僅僅只有6dB，通過選用SGM8541運算放大器可以增強電源抑制能力。

單電源運算放大器，一種高性能的集成電路，它可以處理來自單電源電源的信號，并以單電源電源為電源。

它的出現(xiàn)是為了解決電源電壓的限制以及運算放大器的模擬電路設(shè)計的困難。

作為一種高性能的集成電路，單電源運算放大器在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如自動控制、音頻放大、信號處理等。它的主要特點是具有低功耗、高精度、高速度、低噪聲等特點，而且非常容易使用。

單電源運算放大器的優(yōu)點之一是在處理單電源電源信號時不需要使用負電源，這使得其在電路設(shè)計和實現(xiàn)方面更加簡單，同時也減少了電路的復雜度，提高了電路的可靠性。

單電源運算放大器還具有高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低輸入偏置電壓以及高共模抑制比等特點，這些特點使其在信號處理方面具有很高的精度和穩(wěn)定性。同時，它還具有較高的增益帶寬積和較低的失調(diào)電壓等特點，這使得其在高頻信號處理方面具有很高的性能。

在實際應(yīng)用中，單電源運算放大器被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。例如，在音頻放大方面，單電源運算放大器可以被用來放大音頻信號，從而增強音頻輸出的音量和質(zhì)量。在自動控制方面，單電源運算放大器可以被用來處理傳感器信號，從而實現(xiàn)對自動控制系統(tǒng)的控制。在信號處理方面，單電源運算放大器可以被用來處理模擬信號和數(shù)字信號，從而實現(xiàn)對信號的處理和轉(zhuǎn)換。

總之，單電源運算放大器是一種非常實用的集成電路，它具有很多優(yōu)點，如低功耗、高精度、高速度、低噪聲等特點。它在處理單電源電源信號時不需要使用負電源，這使得其在電路設(shè)計和實現(xiàn)方面更加簡單，同時也減少了電路的復雜度，提高了電路的可靠性。在實際應(yīng)用中，單電源運算放大器被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如自動控制、音頻放大、信號處理等。