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。
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。
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
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。
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。还有些在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。
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











